Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследований 8
1.1. Зооветеринарное обоснование создания комфортной зоны молодняка крупного рогатого скота 8
1.2. Анализ способов содержания молодняка крупного рогатого скота и их соответствие с точки зрения санитарно-гигиенических требований 11
1.3. Анализ направлений совершенствования микроклимата животноводческих помещений с точки зрения создания комфортной зоны теленка 17
1.4. Методы дистанционного и контактного определения состояния объекта изучения в животноводстве 21
1.5. Классификация технических средств выпойки телят 26
1.6. Цель и задачи исследований 36
2. Теоретическое обоснование пространственного размещения теленка в помещении с точки зрения создания ему комфортных условий содержания 37
2.1. Характеристика теплообеспечения содержания телят в помещении 37
2.2. Обоснование комфортной зоны для теленка 42
2.3. Модель дискретного теплового баланса при дозированном кормлении телят 45
2.4. Разработка алгоритма и программного комплекса оптимизации условий выпойки телят профилакторного возраста 50
3. Методика экспериментальных исследований 64
3.1. Методика постановочных производственных исследований 64
3.2. Методика лабораторных исследований 70
3.3. Методика производственных исследований 78
3.3.1. Методика производственных многофакторных экспериментов 81
4. Результаты экспериментальных исследований 86
4.1. Результаты постановочных исследований 86
4.2. Результаты лабораторных исследований 89
4.3. Результаты производственных исследований 92
5. Экономическая эффективность 96
5.1. Расчет расхода тепловой энергии на отопление 96 животноводческих зданий
5.2. Экономическая эффективность применения экспериментальной установки для выпойки телят 96
Общие выводы 102
Список литературы 104
Приложения 119
- Анализ способов содержания молодняка крупного рогатого скота и их соответствие с точки зрения санитарно-гигиенических требований
- Характеристика теплообеспечения содержания телят в помещении
- Методика постановочных производственных исследований
- Результаты производственных исследований
Введение к работе
На сегодняшний день создание и поддержание оптимального микроклимата животноводческих зданий ферм, при полноценном кормлении является определяющим фактором в обеспечении здоровья животных, их воспроизводительной способности, которые служат залогом получения от них максимального количества продукции высокого качества.
Практикой установлено /1/, что существующие системы поддержания микроклимата в животноводческих помещениях обладают рядом недостатков и несовершенны. Из-за этого на животноводческих предприятиях отклонение от параметров микроклимата в зданиях от установленных пределов приводит к снижению удоев у коров на 10 - 20 %, уменьшению приростов живой массы на 20 - 30 %, увеличению отхода молодняка до 40 - 50 %, сокращению срока службы животных на 15 - 20 %, увеличению затрат корма на единицу продукции, уменьшению втрое продолжительности эксплуатации животноводческих зданий, возрастанию затрат на ремонт технологического оборудования и ухудшению условий труда обслуживающего персонала.
На основе анализа литературы /2, 3, 4, 5/ было выявлено, что одним из резервов повышения сохранности телят является правильное кормление их именно в профилакторный период, который заключается в первых 15-20 днях.
Основным недостатком существующих конструкций для выпойки телят является несоблюдение оптимальной температуры молока или его заменителя по длине трубопровода установки для выпойки жидких кормов, учитывая пространственное размещение животного в здании.
Таким образом, проблема создания технических средств для дозированной выдачи жидкого корма телятам при соблюдении температурного режима корма и оптимальных параметров микроклимата остается открытой. Немаловажной является одновременная оценка проектных решений животноводческих помещений и используемого технологического оборудования с точки зрения создания комфортных условий содержания животного при соответствии используемого технологического оборудования.
Следовательно, проблема создания комфортных условия выращивания молодняка крупного рогатого скота внутри помещения является актуальной
В связи с этим была поставлена цель исследований - обоснование технологического режима и технических средств содержания телят при минимизации энергозатрат.
Работа выполнена в соответствии с целевой комплексной программой научно-исследовательских работ Оренбургского государственного аграрного университета № 01960006480 «Разработка и совершенствование средств механизации и автоматизации сельскохозяйственных технологических процессов и методов их использования».
Объект исследования - технологический процесс содержания телят.
Предмет исследования: технические средства обслуживания телят.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- в разработке аналитической модели уменьшения энергозатрат при содержании телят в зависимости от рационального взаимного размещения животного и оборудования и совершенствования конструктивных решений устройств для выпойки телят;
- в разработке методик по совершенствованию оборудования для содержания телят, используя термографический метод;
- в создании программного продукта по изучению соответствия тепла технических средств для выпойки молодняка крупного рогатого скота определенному количеству телят.
Новизна предложенного способа и лабораторного стенда представляется заявками на патенты.
Практическая ценность заключается: - в разработке рекомендаций по оптимизации типов и размеров животноводческих помещений с размещением в них технологического оборудования и животных;
- в разработке и оптимизации технологической линии кормления телят с минимизацией энергозатрат;
- в обосновании нового способа оценки условий комфортного содержания телят.
Разработанная методика для оценки условий комфортного содержания телят может быть применена для исследования функционирующих технологических решений помещений и подбора адаптированного оборудования с точки зрения физиологии животного и для массовой диагностики используемого технологического оборудования.
Реализации результатов исследования. Предложенные технические средства и способ оценки условий комфортного содержания телят были внедрены в животноводческий комплекс ФГОУ СПО «Покровский сельскохозяйственный техникум» Оренбургского района Оренбургской области.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и одобрены на региональных конференциях молодых ученых и специалистов (Оренбург, 2003 - 2006 гг., Ижевск, 2005 г.), на XII международном симпозиуме по машинному доению коров (Киев, 2005 г.), на научных конференциях Оренбургского государственного аграрного университета (2003 - 2006 гг.), на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы агроинженерной науки» (Москва, 2005 г.).
Оригинальность и практическая ценность технических решений и методик отмечена медалью «Участник ВВЦ» (2004 г.), дипломом первой степени на конкурсе молодых ученых и специалистов Оренбуржья (2005 г.), инновационным грантом от Администрации Оренбургской области (2005 г.), бронзовой медалью VI Московского международного салона по инновациям и инвестициям (2006 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений.
Работа изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц, 28 рисунка, 8 приложений. Список использованной литературы включает 160 наименований.
На защиту выносятся следующие положения:
- теоретическое обоснование комфортной зоны размещения теленка в помещении в условиях механизированной технологии содержания телят; методика термографической оценки проектных решений животноводческих помещений;
- методика термографической оценки используемых технических средств для выпойки жидких кормов.
Автор выражает искреннюю благодарность и глубокую признательность кандидату технических наук, доценту Яковлевой Евгении Васильевне за оказанную помощь ценными консультациями при написании работы.
Анализ способов содержания молодняка крупного рогатого скота и их соответствие с точки зрения санитарно-гигиенических требований
На новорожденного теленка сразу и одновременно воздействует ряд факторов внешней среды: температура и влажность воздуха, движение воздуха и др.
Телят можно успешно выращивать в помещениях различного типа, но в них должны быть сухие полы, чистый воздух без сквозняков и оптимальная температура. При этом нужно соблюдать санитарно-гигиенические требования /38/ приведенные в таблице 1.1.
Воздух животноводческого помещения представляет биологический аэрозоль, в котором содержится множество микроорганизмов, в том числе и патогенных. Температурно-влажностные условия и воздухообмен существенно влияют на концентрацию микроорганизмов в воздухе профилактория. С увеличением температуры и абсолютной влажности, а также снижением уровня воздухообмена возрастает содержание микроорганизмов в воздухе /39/.
В современном животноводстве Российской Федерации для содержания молодняка крупного рогатого скота в профилакторный период применяют индивидуальный и групповой способы.
При индивидуальном способе телят можно содержать: в помещениях (отапливаемых и неотапливаемых), вне помещения (на открытых и полуоткрытых площадках) и на пастбище (одиночный подсос).
В различных хозяйствах в холодный период года в родильных отделениях температура воздуха колеблется от 9 до 12 С. При таких параметрах у новорожденного уже через 20-30 мин появляется мышечная дрожь - показатель переохлаждения организма, ведущий к возникновению желудочно-кишечных заболеваний. Поэтому рекомендуют /40/ переводить теленка сразу после облизывания коровой в предварительно подогретую обогревательную клетку на 3 - 4 ч, температура в которой поддерживается на уровне 40 - 50 С, затем телят переводят в индивидуальную клетку.
Содержание телят в индивидуальных клетках позволяет избежать в какой-то степени контакты с условно-патогенной микрофлорой. При этом нельзя применять металлические клетки, так как они являются хорошим
Другими учеными /51/ отмечено, что физиологический, гинекологический статус и молочная продуктивность коров, содержащихся в первые пять месяцев жизни в индивидуальных домиках и помещениях на открытом воздухе с дальнейшим переводом на интенсивное выращивание, были значительно лучше по сравнению с таковыми их сверстниц, выращенных от рождения до конца второй лактации при традиционной технологии.
При размещении индивидуальных домиков-профилакториев на открытом свежем воздухе наблюдается отсутствие вредного для легких теленка аммиака. На открытом воздухе животные не страдают от сквозняков и имеют достаточно свежего воздуха. Комбинация свежего воздуха, изоляция самого теленка и достаточного поступления дневного света гарантируют, что животные будут сильными, здоровыми и устойчивыми к заболеваниям /52/. Многими исследователями отмечается, что при содержании молодняка крупного рогатого скота на открытых и полуоткрытых площадках рекомендуется использовать заменитель цельного молока повышенной жирности /53,54/. Томко Ю. отмечает /55/, что самым трудоемким процессом при такой технологии является кормление телят молозивом или молоком, или заменителем цельного молока - особенно в зимний период. Облегчить труд работников и сохранить оптимальную температуру жидкого корма удается только при использовании усовершенствованных сосковых поилок и термотележек.
Однако выращивание телят в индивидуальных домиках профилакториях не соответствует технологической схеме большинства животноводческих комплексов, так как требует затрат только ручного труда, не позволяет использовать средства механизации, повышает нормы выпаивания молока или заменителя цельного молока на 12,4 - 23,8 %, требует только ручного ухода и наличия доброкачественной сухой соломы для подстилки, обязательного соблюдения всех технологических требований, что создает трудности в работе обслуживающего персонала /56/. Следует отметить, что выращивание телят в индивидуальных домиках на открытых площадках можно использовать либо на фермах (комплексах), где отсутствуют родильные отделения и профилактория, либо как дополнительный способ содержания, позволяющий проводить во время профилактического перерыва санацию и дезинфекцию помещений.
Индивидуальный способ содержания сменился на большинстве ферм групповым, где все оборудование рассчитано на высокую концентрацию телят в крупногабаритных телятниках. В связи с этим отмечается повышение производительности труда, сокращение затрат ручного труда, снижение расходов на животное.
С биологической точки зрения /57/ групповое содержание телят является более приемлемым способом, так как животные в этих условиях больше отдыхают, лучше развиваются и растут по сравнению с выращиванием их в индивидуальных клетках.
При групповом способе телят содержат: в помещении (в станках и боксах) и на пастбище (групповой подсос).
Многими учеными /58, 59/ установлены преимущества группового содержания по 10 - 20 голов. При этом достигается высокая производительность труда обслуживающего персонала.
Герасимович Б.П. /60/ рекомендует выращивание телят с 2 - 3 недельного возраста крупными группами по 20 голов в просторных клетках с площадью пола 35-40 м2, где животным предоставляется возможность выбора желаемого микроклимата.
По результатам исследований в Тоцком районе Оренбургской области Салтанов СВ. /61/ утверждает, что с увеличением в группе численности животных они становились более беспокойными, вследствие этого увеличивался среднесуточный прирост массы тела.
Характеристика теплообеспечения содержания телят в помещении
На животноводческом комплексе «Покровский сельскохозяйственный колледж» телята профилакторного периода содержаться в индивидуальных клетках до 15-дневного возраста с ручной выпойкой и свободным доступом к грубым кормам.
Для того чтобы определить границы достоверного распределения градиента температуры вокруг теленка внутри помещения провели термографическое исследование внутри помещения, где содержатся телята. Для этого известную термографическую методику, основанную на применении тепловизора, например «Иртис - 2000», применили при исследовании объектов животноводства.
Портативный компьютерный термограф «Иртис - 2000» разработан с учетом требований, предъявляемых к мобильной аппаратуре /108/. Он состоит из инфракрасно-приемной камеры, подключаемой к компьютеру типа «NoteBook» без дополнительных устройств. Это повышает оперативность и надежность всей системы и позволяет непрерывно совершенствовать прибор (при появлении новых компьютерных разработок и программ) (рис. 3.1).
Принцип работы инфракрасной камеры основан на преобразовании инфракрасного излучения тел, к которому не чувствителен человеческий глаз в видимое. Спектральный состав и интенсивность излучения любого предмета в инфракрасной области спектра определяются его температурой и излучательной способностью.
Прибор обладает стабильностью во времени, равномерностью по всему полю изображения, что делает его эффективным для проведения теплового неразрушающего контроля. Полная компенсация температурного дрейфа в каждом кадре, отсутствие оптики на входе - все это позволяет инфракрасно-приемной камере моментально адаптироваться к окружающей среде и проводить точные измерения при резких изменениях окружающей среды во время съемки. Термограф «Иртис - 2000» прошел полный цикл метрологических испытаний и получил сертификат Госстандарта, как средство измерения. Термограф «Иртис - 2000» имеет технические характеристики, представленные в таблице 3.4.
При исследовании помещения для выращивания телят замеряли температуру внутри помещения в фиксированных точках здания по следующей схеме. Помещение было разделено по периметру на 12 зон. В нашем случае этого было достаточно, так как изменения температуры внутри каждой зоны были не значимыми. В каждой зоне сканировалась температурное облако по высоте животноводческого здания (рис.3.2.).
Рассмотрим, например, измерения в зоне 1. Замеры температуры помещения по высоте с шагом 0,1 м проводили с использованием тепловизора «Иртис - 2000». В результате обработки данных получили значение температуры воздуха в зоне 1. По указанной выше методике измерения проводились по всему зданию на обозначенных участках. Затем замеряли температуру окружающего воздуха в непосредственной зоне содержания теленка (рис. 3.3). Для определения достоверности наших исследований, полученные данные обработали статистическими методами. Провели термографическое исследование, чтобы выявить влияние процесса кормления на организм теленка, заключающееся в измерении температуры тела теленка до, во время и после процесса кормления.
Для проведения эксперимента были подобраны по методу аналогов 10 телят профилакторного периода. Исследования проводили по следующей методике. Осуществили адаптацию теленка к условиям проведения диагностики с использованием цветной компьютерной термографии. Затем проводили настройку прибора по приему термоизображения. После чего снимали тешювизионные карты инфракрасного излучения открытых зон тела теленка, то есть температуру ушей, глаз и носа. Замеры производили на 0,6 метра от животного, хотя тепловизор снимает тепловизионные карты без искажения температуры объекта на расстоянии до 25 метров. Полученные тепловизионные карты исследуемой зоны животного в динамическом (или статическом) режиме, сохранялись в виде файлов в общую базу данных. В процессе выпойки молодняка крупного рогатого скота профилакторного периода, по принятой на животноводческом предприятии технологии кормления также снимали тепловизионные изображения открытых зон тела теленка, с фиксированием данных в виде файла в общую базу данных. По окончании процесса кормления спустя 120, 300 и 600 секунд тоже фиксировали тепловизионные изображения температуры открытых зон тела теленка, с обязательным сохранением в общую базу данных. По полученным тепловым изображениям проводили анализ, заключающийся в выявлении температуры тела теленка по открытым зонам, в результате чего построили график температуры тела теленка, например в Microsoft Excel 2003. Эксперименты проводили в летний и зимний периоды в трехкратной последовательности.
Методика постановочных производственных исследований
Наиболее эффективным в настоящий момент, по теоретическим и практическим исследованиям, при массовой диагностики профилактических обследований условий комфортного содержания молодняка крупного рогатого скота с целью выявления несоответствия условий содержания к физиологическому состоянию животного, а также для проведения ветеринарной диагностики с учетом изменения состояния животного в зависимости от выбранного способа содержания и т.п., на наш взгляд является термографический метод.
Для исследования помещения на вопрос соответствия условий содержания к физиологическому состоянию животного разработали и , применили способ оценки комфортного содержания теленка. В основу предлагаемого способа положена задача разработки способа оценки комфортного содержания телят, обеспечивающего более высокую точность при решении задач соответствия строительного (технологического) решения животноводческого помещения, используемого технологического оборудования физиологическому состоянию молодняка крупного рогатого скота, используя термографический метод. В качестве аналога и прототипа предлагаемого способа оценки были выбраны известный способ распознавание теплоизлучающих объектов по их изображениям, включающий формирование теплового изображения 1 исследуемого объекта на экране видеоконтрольного устройства, визуальный анализ этого изображения оператором с выбором зон информативности /151/, и наиболее близкий к изобретению по своей сущности и достигаемому результату способ определения радиационной температуры открытых зон животного и выявлением зависимости радиационной температуры тела животного от температуры окружающей среды /152/. Недостатками известных способов является то, что на видеоконтрольном устройстве оператором устанавливается температурный интервал для формирования теплового изображения исследуемого объекта, задается число элементов разложения теплового изображения, а также формирование кадра, определяющего реальное значение температурного интервала, происходит в пошаговом исполнении, а также применение этого способа не позволяет выявить влияние используемого технологического оборудования на физиологическое состояние молодняка крупного рогатого скота, а также оценить выбранные условия содержания животных. Таким образом, известные способы не обеспечивают отсутствие субъективности восприятия теплового изображения оператором, которое возможно из-за быстрой утомляемости оператора при проведении массовой диагностики, а также диагностика сельскохозяйственных животных по радиационной температуре открытых зон животных и выявление зависимости радиационной температуры тела животного от температуры окружающей среды проводится без учета типов строительных (технологических) решений животноводческих помещения, без конкретизации условий содержания молодняка, и без учета влияния обслуживающего технологического оборудования. К отличиям предложенного способа, позволяющим достичь новый технический результат, относятся: а) формируется тепловое изображение исследуемого объекта на экране видеоконтрольного устройства в виде тепловизионных карт в статическом или динамическом режиме с сохранением теплового изображения в виде файла в общую базу данных; б) снимаются тепловизионные карты температуры следующих открытых зон тела теленка: уши, глаза и нос, при следующих технологических схемах содержания животного - индивидуальном или групповом способе содержания в помещениях или на открытых или полуоткрытых площадках; в) снимаются тепловизионные карты температуры воздуха, окружающего животного и тепловизионные карты технологического оборудования, таких как технических средств выпойки теленка, ограждающих конструкций; г) сравнивается температура исследуемых открытых зон тела теленка в различных зонах содержания животного в различных технологических схемах; д) выявляются различия температуры исследуемых открытых зон тела теленка в различных местах выбранной технологической схемы содержания; е) при выявлении отклонений в температуре тела животного, по крайней мере, на 1С изменяем условия содержания до восстановления нормальной температуры тела теленка. Такая совокупность признаков позволяет повысить точность в оценке условий комфортного содержания телят за счет исследования теплового і (термографического) изображения животного или группы животных в зависимости от выбранной технологии содержания молодняка крупного рогатого скота и от используемого технологического оборудования, а также улучшение условий содержания теленка с точки зрения создания комфортной зоны выращивания животного, в которой теленок получает все необходимые условия для роста, при оптимальном температурном режиме окружающего воздуха, при соответствии выбранного строительного (технологического) решения животноводческого помещения, и при оптимизации соответствующего технологического оборудования. Кроме того, при улучшении условий содержания телят повышается его продуктивность (прирост массы) и увеличивается резистентность организма животного при минимальных временных затратах на оценку комфортного содержания теленка. Предложенный способ был практически реализован путем использования тепловизора «Иртис - 2000», соединенного с персональным компьютером типа Pentium класса IV и выше с пакетом программ, посредством которого можно реализовать указанный способ полностью.
Результаты производственных исследований
Для проверки условия температурного соответствия корма физиологии животного существующего оборудования для выпойки телят профилакторного возраста при сохранении температурного градиента от места подачи корма до места его потребления были проведены лабораторные исследования на кафедре механизации животноводства Оренбургского государственного аграрного университета.
В ходе проведения эксперимента по вышеизложенной методике (см. раздел 3.2.) и подобранного оборудования, позволяющего имитировать акт сосания теленка, провели испытания предложенной установки для оценки её работоспособности. При этом режим её работы регулировали в установленных пределах.
Обработку результатов исследований вели на ЭВМ по разработанным программам, которые представлены в приложении Г. Таким образом, получили математическую модель, определяющую температурную характеристику жидкого корма внутри установки и температуру вокруг установки, которая описывается уравнениями регрессии. В окончательном виде уравнения имеют вид: а) температура жидкого корма внутри трубопровода установки для выпойки телят б) температура вокруг установки, то есть теплопотери в окружающую среду Проверкой коэффициентов регрессии приведенных уравнений по критерию Кохнера установлено, что они однородны. Адекватность уравнений регрессии проверяли по критерию Фишера. В обоих случаях, как свидетельствуют данные, гипотеза об адекватности модели принимается. Анализ полученных уравнений регрессии показал, что с увеличением плотности жидкого корма, напора в системе температура жидкого корма в установке для выпойки телят увеличивается, и, напротив, при увеличении расстояния между поилками и длины трубопровода уменьшается. Температура вокруг установки (теплопотери в окружающую среду) увеличиваются при увеличении расстояния между поилками и длины трубопровода, наоборот, уменьшаются при увеличении плотности жидкого корма и напора в системе температура жидкого корма в установке для выпойки телят. Наиболее значимым по вкладу параметром в модели для зависимой переменной, то есть для температуры жидкого корма внутри установки для выпойки телят является длина трубопровода (табл. 4.2). 91 Температура вокруг установки также обусловлена длиной трубопровода (табл. 4.3). (приложение Д) позволило установить их корреляционную зависимость и оценить её коэффициентом парной корреляции. Коэффициент корреляции параметра с самим собой, очевидно, равен г(1,1) = 1, коэффициент парной корреляции с плотностью жидкого корма г(1, 1) = - 0,311, с напором жидкого корма в системе г(1, 1) = - 0,410, с длиной трубопровода г(1,1) = - 0,522. Также провели анализ корреляционной матрицы (приложение Д) для температуры вокруг установки, который установил зависимость между параметрами по значениям коэффициентов парной корреляции. Наибольшее изменение температуры вокруг установки проявляется при изменении длины трубопровода. Проведенный выше анализ подтверждают полученные поверхности отклика для фиксированных значений параметров. Частные случаи поверхностей отклика представлены на рисунке 4.4 (приложение Е). Основным критерием оценки условий комфортного содержания молодняка крупного рогатого скота является температура подаваемого жидкого корма, которая должна находится в пределах соответствия физиологии животных. Проводили термографические исследования процессов выпойки телят с использованием стандартной сосковой поилки одетой на 3-х литровый бидон и предлагаемой установки для выпойки по вышеизложенной методике. Обследованию подверглись более 100 телят профилакторного периода. Тепловизионные карты, полученные в результате исследования, представлены в приложении Ж. Путем соответствующей обработки получили математическую модель, определяющую температурную характеристику жидкого корма внутри установки и бидона для выпойки телят, которая описывается уравнениями регрессии. В окончательном виде уравнения имеют вид: а) температура жидкого корма внутри установки для выпойки телят б) температура жидкого корма внутри бидона для выпойки телят Проверкой коэффициентов регрессии приведенных уравнений по критерию Кохнера установлено, что они однородны. Адекватность уравнений регрессии проверяли по критерию Фишера. В і обоих случаях, как свидетельствуют данные, гипотеза об адекватности модели принимается. Анализ полученных уравнений регрессии показал, что при механизированном способе выпаивания около дверных проемов температура жидкого корма в установке для выпойки телят значительно отклоняется (уменьшается) от принятых норм, при расположении телят в центре помещения даже при увеличении общего расхода жидкого корма температура внутри установки находится на удовлетворительном уровне. При ручном способе выпойки температура жидкого корма внутри бидона соответствует нормам физиологии, если общий расход жидкого корма 1 находится на минимальном уровне.
