Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния машинного доения и качества производства молока 16
1.1. Анализ состояния производства и качества молока в аспекте механизации доения 16
1.2. Обзор исследований влияния параметров доильных аппаратов и систем на качество процесса молоковыведения 29
1.3. Доильные установки и средства автоматизации доения и их анализ 46
1.4. Обобщение и анализ предшествующих исследований 61
1.5. Постановка проблемы, цель и задачи исследований 69
2. Аналитические исследования технологий и технической базы для автоматизации доения 72
2.1. Исследование и обоснование процесса и технологий автоматизированного доения коров 75
2.1.1. Исследование процесса молоковыведения и обоснование направлений совершенствования и создания доильных систем 75
2.1.2. Сравнительный анализ разных типов доильных установок и модулей 87
2.1.3. Обоснование технологии автоматизированного доения коров в стойлах 96
2.1.4. Обоснование и выбор направления автоматизации доения коров в летних лагерях и на пастбищах 105
2.1.5. Выводы
2.2. Исследование и обоснование технической базы автоматизации доения 112
2.2.1. Элементная база пневмоавтоматизации доения 113
2.2.2. Вакуумные формирователи сигналов и пневмодатчики 122
2.2.3. Вакуумные пневмоприводы, вакуумпроводы и линии связи... 139
2.2.4. Синтез сложных вакуумных доильных систем 143
2.2.5. Выводы 147
2.3. Совершенствование аналитического метода определения молочной продуктивности коров 150
3. Обоснование и создание типоразмерных рядов автоматизированных доильных установок для традиционно российских способов содержания коров 158
3.1. Обоснование и совершенствование молочных технологических линий для автоматизированных доильных установок 162
3.2. Обоснование и создание доильных манипуляторов 176
3.3. Обоснование и создание стойлового доильного модуля
3.3.1. Общие требования 184
3.3.2. Статические характеристики модуля 185
3.3.3. Динамические свойства модуля 198
3.3.4. Обоснование кинематики модуля 202
3.4. Обоснование и разработка типоразмерного ряда универсальных автоматизированных доильных установок 207
3.4.1. Выбор станочного модуля для создания типоразмерного ряда универсальных автоматизированных доильных установок... 207
3.4.2. Типоразмерный ряд универсальных автоматизированных доильных установок с параллельно-проходными станками. 209
3.5. Оптимизация состава и структуры типоразмерного ряда модульных автоматизированных установок для доения коров в стойлах 215
3.5.7. Факторы, определяющие структуру типоразмерного ряда стойловых автоматизированных доильных установок и критерии оптимизации 215
3.5.2. Анализ технико-эксплуатационных показателей вариантов модульной доильной установки 222
3.5.3. Результаты оптимизации структуры типоразмерного ряда модульных автоматизированных установок для доения
коров в стойлах 225
3.5.4. Оптимальный ряд модульных автоматизированных установок для доения коров в стойлах 233
3.6. Совершенствование мониторинга системы управления качеством производства молока 235
3.7. Выводы 245
4. Методика экспериментальных исследований системы средств механизации и автоматизации доения 248
4.1. Программа экспериментальных исследований 248
4.2. Установки и приборы для лабораторных исследований
4.2.1. Установки и приборы для исследования статических свойств преобразователей силовых воздействий 250
4.2.2. Установка для исследования динамических свойств элементов непрерывного действия 252
4.2.3. Установки для исследования узлов релейного действия 255
4.2.4. Установки для исследования основных параметров пневматических элементов 257
4.2.5. Установки и приборы для исследований совместной работы элементов УСЭППА, ЦИКЛ и «Волга» на вакууме 259
4.2.6. Установки для исследования характеристик датчиков интенсивности молочного потока 261
4.2.7. Лабораторные установки, оборудование, приборы и приспособления, используемые при общих лабораторных исследованиях и испытаниях вакуумных пневмоприводов и рабочих органов
4.3. Установка «Автолактограф» для комплексной оценки коров по продуктивности и функциональным свойствам вымени 267
4.4. Методика лабораторных исследований 270
4.4.1. Методика исследования статических свойств преобразователей силовых воздействий в вакуумный сигнал 270
4.4.2. Методика исследования динамических свойств преобразователей силовых воздействий 272
4.4.3. Методика исследования функциональных возможностей мем бранно-клапанных элементов на вакууме для реализации логических устройств, работающих на разреженном воздухе 273
4.4.4. Методика исследования статических характеристик и работоспособности мембранно-клапанных элементов релейного действия на вакууме 275
4.4.5. Методика исследования статических характеристик элементов непрерывного и непрерывно-дискретного действия 277
4.4.6. Методика исследования условий совместной работы на вакууме мембранных, струйных и струйно-мембранных
элементов и модулей 278
4.5. Методика комплексной оценки коров по продуктивности и функциональным свойствам вымени 282
4.5.1. Методика сбора и обработки информации 282
4.5.2. Формирование и использование входных и выходных документов 287
5. Резулыаты и анализ экспериментальных исследований и испытаний 294
5.1. Результаты лабораторных исследований и их анализ 294
5.1.1. Статические свойства мембранного преобразователя силовых
воздействий в вакуумный сигнал 294
5.1.2. Временные характеристики мембранного преобразователя силовых воздействий в вакуумный сигнал 297
5.1.3. Функциональные возможности элементов УСЭППА релейного действия 301
5.1.4. Работоспособность и статические характеристики элементов дискретного действия 302 5.7.5. Статические характеристики мембранных элементов непрерывного действия 307
5.2. Результаты производственной проверки системы средств автоматизации доения и их анализ 315
5.2.1. Автоматизированные доильные системы и установки 321
5.2.2. Опыт работы автоматизированных доильных установок типа «ёлочка» 321
5.2.3. Универсальные автоматизированные доильные станции типа УДС-3 326
5.3. Технические средства мониторинга системы управления качеством производства молока 330
5.3.1. Система пневматических средств учета молока 330
5.3.2. Система комплексной оценки коров и качества производства молока 333
5.4. Результаты государственных приемочных испытаний средств автоматизации доения 338
5.4.1. Результаты испытаний универсального доильного манипулятора МДУ-1 338
5.4.2. Результаты производственной проверки автоматизированной доильной установки для малых ферм УДМ-Ф-1А 343
5.4.3. Анализ и заключение Северо-Кавказской МИС по результатам государственных приемочных испытаний установки доильной автоматизированной для малых ферм УДМ-Ф-1А 348
5.5. Выводы 354
6. Эффективность и перспективы реализации основных результатов исследований 356
6.1. Эффективность результатов исследований 356
6.2. Рекомендации производству 358
Общие выводы 361
Литература
- Доильные установки и средства автоматизации доения и их анализ
- Обоснование и выбор направления автоматизации доения коров в летних лагерях и на пастбищах
- Обоснование и создание доильных манипуляторов
- Установка для исследования динамических свойств элементов непрерывного действия
Введение к работе
Актуальность проблемы. К 1990 г. в СССР было восстановлено дореволюционное мировое лидерство по объемам производства молока (произведено 108,7 млн. тонн), но из-за отсутствия внутренней конкуренции, государственного контроля, несовершенства технологии а доильной техники качество продукции снизилось настолько, что страна оказалась полностью вытесненной на внешнем рынке и перешла в разряд крупнейших импортеров молочных продуктов.
После распада Союза ССР поголовье коров в личных и в фермерских хозяйствах России сначала заметно выросло, но затем стабилизировалось, достигнув к 1994 году соответственно 6,7 и 03 млн. голов. В связи с тем, что качество молока у мелкого производителя оказалось выше, сельхозпредприятия были существенно потеснены и на внутреннем рынке и общественное поголовье коров к 2000 г. сократилось вдвое. Затраты труда на производство центнера молока выросли до 9,7 чел-ч , что на порядок ниже западноевропейских показателей.
Из-за ошибочной ориентации на беспривязное содержание традиционно российским способам доения коров не уделялось должного внимания и вопросы механизации и автоматизации этого процесса оказались нерешенными ни в научном, ни в практическом планах. Не изменилась за последние 100 лет и технология машинного доения коров в стойлах.
Основной причиной вековой неразрешенности этой проблемы является использование традиционных методологических, технологических и технических принципов для решения задач нового уровня и отсутствие научно обоснованных направлений коренного решения проблемы с учетом реальных условий производства молока в России.
Поэтому научная проблема заключается в том, чтобы установить закономерности в технологиях и организации доения, обосновать и разработать принципиально новую техническую базу и методологический подход к комплексному решению вопросов механизации технологического процесса и мониторинга молочного стада, позволяющих повысить эффективность производства молока при любом способе содержания коров, включая стойловое и пастбищное.
Цель работы теоретическое и экспериментальное обоснование технологий и системы средств механизации доения и мониторинга молочного стада применительно к традиционно российским способам содержания коров для повышения конкурентоспособности молочной продукции и технико-экономического уровня отрасли производства молока.
Объекты исследований - технологии, технологические процессы и технические средства механизащш и автоматизации доения и мониторинга молочного стада для всех способов содержания коров.
Научная новизна состоит в том, что вопрехи сложившейся практике автоматизации доения традиционными электронными средствами впервые теоретически и экспериментально обоснована логически и функционально полная система пневматических средств, работающая непосредственно от вакуумных систем доильных установок, получившая признание как вакуумная ветвь пневмоавтоматики и являющаяся фундаментом всех последующих исследований и разработок.
Исследован процесс взаимодействия доильных аппаратов с выменем животного, разработана математическая модель, определены условия устойчивой работы биотехнической системы молоковыведения.
Разработаны модели перемещения операторов в процессе доения коров в стойлах И на установках с параллельно-проходными станками в зависимости от количества обслуживаемых рабочих органов, организации доения и степени автоматизации процесса.
Определен предельный уровень автоматизации доения (60-90 короводо-ек/ч на оператора) и выявлены возможности его повышения за счет совершенствования технологии доения.
Разработан аналитический метод определения продуктивности коров по усредненным значениям контрольных доений.
Разработан модульный принцип создания типоразмерного ряда автоматизированных установок для доения коров в стойлах, в летних лагерях и на пастбищах на базе универсального доильного манипулятора.
Научно обоснованы региональная служба комплексной оценки коров по продуктивности и функциональным свойствам вымени, состав оценочных показателей, расчетные схемы и алгоритмы.
Новизна технических решений подтверждена 27 авторскими свидетельствами СССР и пятью патентами Российской Федерации на изобретения.
Реализация результатов исследование имеющих практическую значимость:
10 методических и практических рекомендаций и технологий, утвержденных учеными и научно-техническими советами разных уровней;
зоотехнические требования на: автомат снятия доильных стаканов (автоматический манипулятор для механического доения коров), per. № 1187,1103. Ж1.5.07 системы машин (СМ) 1986-1995 гг.; установки «Ёлочка» и «Тандем» автоматизированные со съемом информации и АСУ ТП, per. № 1514,1984 г. П03.Ж1.5.04/1 и Ж1.5.06/1 СМ 1986-1995 гг.; передвижную контрольно-измерительную молочную лабораторию «Автолактограф», поз. Ж14.6.05 СМ 1986-1995 гг.; '
серийное производство: автоматизированные пневматическими средствами доильные установки УДА-8 типа «тандем» и УДА-16 типа «ёлочка» [созданы ГСКБ (г. Рига) с долевым участием ВНИПТИМЭСХ] выпускаются серийно заводом «Кургансельмаш» с 1980 г.; манипулятор доильный МД-Ф-1 (создан с использованием а. с СССР № 1158118) выпускается серийно заводом «К>-ргансельмащ» с 1985 г.
Рекомендованы в производство:
по результатам государственных приемочных испытаний Сев.-Кав.МИС: манипулятор доильный универсальный МДУ-1 (1996 г.); установка доильная автоматизированная для малых ферм УДМ-Ф-1А (1997 г.)
решениями ЯТС МСХ СССР (1983 г.) и НТС НСХ РСФСР (1988 г.): автопередвижная контрольно-измерительная молочная лаборатория «Автолак-тограф» н региональная служба комплексной оценки короа по молочной продуктивности и функциональным свойствам вымени.
Разработки неоднократно экспонировались на выставках и награждены медалями ВДНХ и ВВЦ.
Практическая ценность работы состоит в тс*?, что вопреки стожившейся в мире практике автоматизации доения традиционными электронными средствами, автор не только теоретически обосновач, но и доказал практически целесообразность и эффективность пневмоавтоматизации доения коров.
Современный предельный уровень произведлтельнсстй труди от езто-матгоацпи доения (60-90 короводоек/ч ка оператора) повышен сокращением продолжительности подготовительных ручных операций в два pasa (до 20-30 с) за счет совершенствования технологии путем одновременной парной подготовки к доению двух рядом стоящих коров (в стойлах и на установках с параллельно-проходными станками) с сохранением для них общей продоля:и-тельности, физиологически необходимого для полноценного припуска матска (40-бОс).
Всё это позволило создать принципиально новые технические средства, разработать технологические приёмы для выполнения основных и вспомогательных операций процесса доения коров, сбора и обработки информации о надоях и состоянии животных по продуктивности1 и функциональным свойствам вымени, позволяющее осуществить комплексную механизацию и автоматизацию доения коров на всех типах доильных установок, включая стойлокые и пастбищные.
Комплексная, механизация и автоматизация доения избавит операторов от тяжелого физического труда, обеспечит повышение социальной привлекательности профессии и рост производительности труда в 1,5-2,0 раза, продуктивности коров и продуктивного их срока службы с 3-4 до 5-7 лет, снижение маститных заболеваний и производство экологически чистого молока, пригодною для сыроделия и детского питания.
Апробация работы осуществлялась в і 969-2000 гг. путем постоянного представления и обсуждения ее этапов на:
- научно-технических конференциях ВШ4ТГШМЭСХ (ежегодно),
АЧИМСХ (1972,1974, 1992-1997 гг.), Кубанском СХИ (1973
г.уіенинградском СХИ( 1974 г.), РАСХН (Москва, 1992 г.);
- научно-технических советах МСХ СССР (1983 г.), МСХ Р'ФСР (1988
г.), научно-технических советах и совещаниях ГСКБ (Рига, 1972,1978.1580 и
1983 гг.);
Всесоюзных и Всероссийских научных конференциях : по вопросам приборостроения и метрологии в сельском хозяйстве (Москва - 1975,1981 гг., Ленинград- 1988 г.); по проблемам автоматизации сельскохозяйственного производства (Минск-1985 г.); по пневмоавтоматике (1976,1980, 1982, 1985 и 1987 гг.). ; по применению ЭВМ в животноводстве (Тарту -1986 г.) ; по компьютеризации в животноводстве ВИЖ (Дубровицы - 1992 г.);
Всесоюзных {Всероссийских} ытяозиумах по машинному доению (1983,1988,1995,1997 гг.);
Международных конференциях «Яблонна» по пневмоавтоматике (Москва- 1976г., Дрезден- 1978г., Ленинград- 1980г.,Варшава- 1982 г.); по проблемам автоматизации сельскохозяйственного производства (Углич -1995,1997 гг.)
Научные положения и разрабо-пси, обоснованные автором, были подтверждены результатами производственной прозерки и исследованиями НИИЖ Лесостепи и Полесья Украины (г.Харьков), ВНИПРПК (г.Ленинград), СКНИИЖ (г.Краснодар), БелНИИЖ (г.Минск), АЧЙМСХ (г.Зерноград), Института проблем управления АН СССР (ИПУ, г.Москва), НПО «Селекционная техника» (г.Симферополь) и ГСКБ (г.Рига).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 160 работ, в том числе книги, брошюры, рекомендации, 27 авторских свидетельств и пять патентов на изобретения. Список основных из них приводится в конце автореферата.
Личный оклад автора на всех этапах выполнения диссертации является определяющим. Лично автором проведены все теоретические исследования и получены основные экспериментальные результаты, сделан основной вклад в работы, которые выполнены в соавторстве. На разных этапах работ под научным руководством автора принимали участие Бершицкий Ю.И., Забродина О.Б., Королев В.А., Петровский В.А. и Рудая О.И..
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы из 353 наименований, в том числе 22 на иностранном языке, и приложений, Работа изложена на 421 странице машинописного текста, содержит 29 таблиц и 134 иллюстрации.
Доильные установки и средства автоматизации доения и их анализ
Кампания, как обычно, была не подготовленной, проводилась преимущественно безграмотно, без достаточной подготовки обслуживающего персонала, допускались многочисленные ошибки. Наряду с доением в :тойлах на «линейных» доильных установках при привязном содержании шров внедрялись и доильные залы с установками типов «елочка» и «тандем», предназначенными для беспривязного содержания коров. При этом $атраты труда на ручное отвязывание, привязывание и перегон коров значительно превосходили экономию труда, полученную от механизации процесса доения. В период внедрения в хозяйствах наряду с машинным доением повсеместно практиковалось ручное доение коров в группах и эучной додой, из-за чего коровы плохо привыкали к доильным аппаратам, продуктивность падала и внедрение машинного доения многократно повторялось сначала и затянулось вплоть до 1980 г.
На графике (рис. 1.1) период массового внедрения машинного доения оров (1960-70 гг.) характеризуется выгнутой вниз кривой продуктивности : оров в СССР и в России. С 1968 г. по 1970 г. наблюдается некоторый подъем продуктивности, который по времени совпадает с завершением внедрения машинного доения в большинстве хозяйств. Анализ показывает I \ ,21, что почти во всех странах высокой культуры производства молока в период освоения машинного доения тоже наблюдался застой или замедление темпов роста молочной продуктивности коров, затем в этих странах продуктивность заметно возрастала. С 1970 г. этого, видимо, следовало бы ожидать и у нас. Однако в 1970 г. еще до завершения механизации доения в молочном животноводстве СССР началась новая кампания - строительство и ввод в эксплуатацию молочных комплексов и перевод молочного поголовья страны на промышленную основу, базирующуюся на беспривязном содержании и доении коров в доильных залах.
Попытка перевода молочного животноводства на промышленную основу примерно к 1980 г. закончилась неудачно. Хозяйствам был нанесен огромный моральный и материальный ущерб. Поголовье коров на комплексах было обезличено, выход телят во многих случаях не превышал 70 /о, наблюдались массовые маститные заболевания, охватывающие до 70 % поголовья, снизилось качество молока, продуктивность коров на некоторых комплексах упала до уровня военных лет и не превышала 1000 кг на корову в год, продуктивный срок службы коров с 5-7 лет снизился до 2-3 . Несмотря на то, что продуктивность коров в 1970 - 1980 гг. практически оставалась постоянной, общее производство молока в стране за этот период все же выросло с 91,5 до 98,9 млн.т в основном за счет роста поголо-зья на 3,5 млн. коров.
Таким образом, несмотря на постоянные ломки производственных отношений, недостаточную обеспеченность кормами и кадрами, низкую гехническую оснащенность, отрасль молочного животноводства в СССР к 1980 г накопила огромный потенциал, в основном за счет поголовья. Это юзволило даже в условиях общего экономического застоя в стране обес-іечить рост производства молока в 1980 - 90-х годах на 9,8 млн.т и довести ЇГО в 1990 г до 108,7 млн.т.
Заключительный этап производства молока в России после распада ИССР заслуживает определенного внимания. Исследованиями /24/ установлено, что по мере развития стран народ потребляет больше молока и молочных продуктов. Анализ таблицы 1.2 и рис 1.1.6 показывает, что после распада Союза ССР продуктивность коров в России стала резко падать, несколько снижается и общее поголовье коров. В результате за последние четыре года производство молока в России снизилось до 28 %. Основными причинами этого является антимонопольная политика, направленная на разукрупнение молочных ферм. В соответствии с этим во многих случаях обычно самое высокопродуктивное пого-иовье бывших колхозов и совхозов передавалось частнику для организации личных и фермерских хозяйств. Сначала частник, увлеченный идеей гшчной собственности, старался иметь в своем хозяйстве большее количество коров. Но проблема с доением, кормами , сбытом молока и молочных тродуктов на селе уже в 1992 - 1993 гг. заставила его избавиться от лишних шров. Согласно таблиц 1.2 33 % коров содержится в личных хозяйствах ;ельских жителей, использующих молоко преимущественно для собствен-зых нужд. Ясно, что эти хозяйства городское население страны (80%) мо-током не накормят. Личные хозяйства крестьян, содержащие 6,7 ллн.коров, по поголовью (одна корова на четырех селян ) оказались близ-си к насыщению и поэтому уже к 1994 г. рост поголовья коров в этой категории хозяйств прекратился. Если ориентироваться на фермерские хозяйства, то судя по темпам их роста (см. Табл. 1.2.) для наращивания поголо-ЇЬЯ, которое имели сельхозпредприятия в 1990 г., им потребуется 100-150 іет. Брать курс на сокращение объемов производства нельзя, так как мо-гоко в России, наравне с хлебом, является основным продуктом питания іаселения. Кроме того, из графиков (рис. 1.1, периоды 1950 - 1960 гг. и 1980 1990 гг.) видно, что если не мешать отрасли всевозможными преобразо-$аниями, то темпы роста молочной продуктивности коров в России не ни-ке, чем в любой другой стране даже с высокой культурой производства лолока. При этом необходимо также учитывать, что по данным /24/ в срупных стадах, состоящих из 50 и более коров, затраты труда в расчете іа одно животное в два раза ниже затрат, чем в стаде, состоящем из 10 ко 22 ров. Поэтому с 1980 г. в США более двух третей коров содержатся на фермах с поголовьем в 50 и более коров.
Отсюда можно заключить, что в производстве товарного молока будущее принадлежит механизированным и автоматизированным средним и крупным фермам с поголовьем не ниже 50 коров.
В экологически чистой среде при хороших кормах самое высококачественное молоко находится в вымени здоровой коровы. В зависимости от культуры производства и состояния доильной техники сортность молока, получаемого от коров, может резко снизиться при выводе его из зымени. Это происходит в основном из-за травмирования вымени вакуумом или в результате хранения, первичной обработки и транспортирования за счет чрезмерных и продолжительных механических воздействий на молоко и попадания в него различных бактерий и всевозможных примесей 25...38/.
Обоснование и выбор направления автоматизации доения коров в летних лагерях и на пастбищах
Молоко животных предназначено для питания детенышей от рожде-[ия до начала их независимой жизни. Для этого природа создала идеально армоничную систему «мать-детеныш», обеспечивающую максимальное соответствие между процессами молокоотдачи и молоковыведения. Этой сис-еме можно подражать, но на современном уровне развития науки ее пока евозможно скопировать.
Согласно учению И.П.Павлова о деятельности центральной нервной истемы, теориям молоковыведения Ф.Эли и В.Петерсена (1941) и нейро-армонального рефлекса молокоотдачи М.Г.Закса (1958), в процессе моло-овыведения в кору больших полушарий через органы слуха, обоняния, сязания и зрения поступают многочисленные возмущающие воздействия, эторые могут быть положительными или отрицательными. Они могут усиль или замедлить процессы молокоотдачи и молоковыведения. Запах и щ теленка, его теплый и влажный рот, воздействующий на соски вакуу-ом и давлением во время сосания, а также своевременное толкание пустой ггверти вымени мордой максимально стимулируют процесс молокоотдачи. Питательная и лечебная ценность молока была замечена еще в глубо-)й древности, поэтому человек приручил некоторых животных и стал из-[екать из их вымени для собственного потребления молоко. В течение югих веков взаимодействия человека и животного в процессе ручного ения выработались новые условные и безусловные рефлексы, которые по-олили увеличить продуктивность животных во много раз превышающую гественно необходимую потребность для вскармливания собственных де-ныщей. Поэтому сосание и ручное доение считаются самыми совершен-іми способами молоковыведения. На основе изучения и анализа отечественных и зарубежных достижений, подводя итоги своей деятельности, создатель первого отечественного сильного аппарата В.Ф.Королев /84/ отмечал, что ошибка, видимо, состо-іт в том, что за последние 100 лет постоянно стремились создать доильные лашины, подражающие сосательному аппарату теленка или ручному дое-шю. При этом не учитывалась положительная обратная связь, которая )бычно в процессе молоковыведения устанавливалась между коровой, с од-юй стороны, и дояркой или теленком - с другой. Поэтому даже самый со-іершенньїй доильный аппарат по сравнению с ними является примитивней-иим рабочим органом, слабо взаимодействующим непосредственно со ложнейшим живым организмом только через рецепторы сосков практиче-ки без обратной связи /рис.2.3/.
На необходимость изучения и создания кибернетической системы мо-оковыведения обращал внимание В.Ф.Королев /76/. Поэтому именно в ИЭСХ Е.И.Любимовым, Ю.А.Цоем и др. впервые были проведены иссле-эвания биокибернетической системы молоковыведения, в которых изучаюсь биоритмы мозга коров в процессе лактации до доения, во время доения после доения /86,306/. Структурную схему биотехнической системы молоковыведения можно іредставить, как показано на рис 2.4 /307/. Входное воздействие х через доильный аппарат / Wj(s)/ вызывает )аздражение рецепторов сосков W2(s). Одновременно в мозг поступают шешние возмущающие воздействия а,р,у и 8 (зрительные, слуховые, обо-штельные и вкусовые рецепторы). Эти раздражения вызывают импульсы, :оторые передаются в головной мозг.
Раздражения рецепторов сосков вымени вызывают импульсы, кото-ые передаются в спинной мозг /звено W4{S)I. В спинном мозгу афферент ые волокна отдают коллатерали эфферентным путям, идущим непосредст шно к вымени / вг I. Латентный период первой фазы составляет 1-4 с. Он ірактеризуется расслаблением сфинктеров сосков и гладкой мускулатуры Штерны и протоков IW3{S)I, кратковременным понижением внутривы 5нного давления, при котором осуществляется подготовка к принятию мо-жа из альвеол. Кроме того, из спинного мозга импульсы поступают в тошной /звено W5(s)l. Проходя через кору больших полушарий головного эзга, они достигают клеток супрастических ядер гипоталамуса. Нервная асть афферентного пути заканчивается в задней доле гипофиза /звено V6{S)l. Импульсы, поступающие по указанному пути в нейрогипофиз, вы-ывает выделение гормона окситоцина, который с током крови (звено чис-ого запаздывания jST) через 35-40 с достигает молочной железы, где вы ывает сокращение миоэпителиальных клеток альвеол. Выходимое из выме-:и молоко проходит через датчик интенсивности молочного потока, кото-ый выдает соответствующие сигналы на манипулятор. Изменения биото-ов мозга принимаются звеном IW6 (S)l, которое корректирует внешние воз-ействия а, р, у и д и согласует их с сигналами датчика.
Создание такой автоматизированной доильной системы при совре-[енных достижениях кибернетики и уровне развития технической базы лектроники вполне реально. Однако система будет значительно проще и адежнее, если ее реализовать не только электронными, но и пневматиче-кими средствами, работающими как и доильный аппарат от вакуумной нстемы доильной установки. Для этого необходимо, прежде всего, изучить инамику взаимодействия доильного аппарата с выменем животного. Взаи-одействие доильного аппарата с выменем животного должно быть всегда эгласованным не только внешне, но и внутренне не противоречить биоло-ическим процессам, происходящим в организме животного во время дое-ия.
Процесс доения является результирующей двух основных составляю-щх: молокоотдачи и молоковыведения, которые тесно связаны с процессом олокообразования. Доильный аппарат обеспечивает процесс молоковыве-гния. Качество процесса молоковыведения может стимулировать или по-авлять молокоотдачу, обеспечивая соответствующие скорость и полноту ыдаивания. От полноты выдаивания зависит качество процесса молокооб-азования, поскольку, чем полнее выдоено животное, тем больше молока и ира образуется в последующем. То есть процесс молоковыведения необ-эдимо рассматривать как корректирующее звено сложной биотехнической ІСТЄМЬІ автоматизированного доения. Основной задачей настоящих исследований было изучение взаимодей-:твия доильного аппарата с выменем животного с целью определения их пе-)едаточной функции как сложной многомерной биотехнической системы юлоковыведения.
Из всех известных типов доильных аппаратов наилучшие условия мо-юковыведения обеспечивают аппараты с двухкамерными доильными ста-;анами. В связи с этим в настоящих исследованиях рассматривались доиль-іьіе аппараты со стаканами этого типа.
Структурная схема рассматриваемой системы предоставлена на )ис. 2.5, на котором обозначено: Wj - передаточная функция межстенной камеры доильного стакана; W2 передаточная функция усилительного звена, передающего давление из іежстенной камеры на сосок вымени коровы через сосковую резину;! -[ередаточная функция части доильного стакана, непосредственно взаимодействующей с соском вымени коровы; X - входной пульсирующий вакуум, енерируемый пульсатором; Z - поступление молока из цистерны вымени оровы (молокоотдача); Р - действие вакуума на входе в подсосковую катеру доильного стакана; Y - выход.
Обоснование и создание доильных манипуляторов
Изменяя давление Р2 в управляющей камере, можно пропорциональ 0 менять давление в молочной камере, а, следовательно, и в подсосковых амерах доильных стаканов, причем, при Р2 =0, Р} = 0.
В режиме датчика в качестве выходной величины снижается перемещение мембраны х. Например, при линейной конструктивной характери-гике клапана где а1Уа2ур - проводимость соответствующих дросселей; 8 - прово имость биологического турбулентного дросселя (сфинктера соска); а - ко-Ззфициент пропорциональности. Чувствительность датчика определяется тношениями«7 /а2 и fK/fM . Увеличение ведет к росту габаритов дат ика, минимальное сечение клапана ограничено необходимой отсасываю- ей способностью доильного аппарата и диаметром молочного шланга к = йш = 13мм. При дальнейшем увеличении диаметра шланга нарушается робковый режим эвакуации молока.
Исследования динамической устойчивости проведены по критерию урвица /314/. Система устойчива. Экспериментальные исследования полостью подтвердили теоретические выводы и показали, что при увеличении шуума в молочной системе ход клапана увеличивается. На характеристи-ах можно выделить почти линейный участок изменения хода клапана от шичины вакуума в молочной камере. В то же время, чем больше расход идкости, тем больше ход клапана при постоянном отношении/ /Р„ит. "ри Р / Рпит 0,9 вакуум в молочной камере не регулируется.
К недостаткам данной конструкции следует отнести сложность про-ывки и значительное падение вакуума на молочном клапане.
Поплавковый датчик интенсивности молочного потока с лунжерным формирователем сигналов (рис.2.23) может работать в режиме ростеишего пневматического устройства управления процессом доения оров. Диаметр плунжера выбирается исходя из условий минимально до-устимого сечения каналов 1 и 2, обеспечивающих достаточное быстродей-гвие и мощность вакуумных пневмоприводов доильного аппарата и мани-улятора.
Диаметром плунжера, его массой и массой поплавка определяется эггалкивающая сила поплавка, а, следовательно, и его объем V = k[ j- Р + Е(тш + тп)], (2.59) где к =1,2 кг/м3 - коэффициент; d - диаметр штока, м; Р - величина ікуума в поплавковой камере, кПа; тш,тп- масса штока и поплавка, со гветственно, кг; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Диаметр поплавковой камеры должен быть больше диаметра по-гавка минимум на 6 мм. Высота камеры должна быть больше высоты эплавка на величину свободного хода штока. Объем молока в пошгавко-)й камере до выходного молочного штуцера и форма иглы поплавка вы-іраются исходя из алгоритма функционирования системы управления )ением с учетом предусмотренных им выдержек времени выхода на режим ія выполнения мехдодоя, отключения, снятия и вывода доильного аппа-іта.
В серийном манипуляторе МД-Ф-1 узел "шток-поплавок" связывались резиновой муфтой, выполненной в виде клапана, обеспечивающего отключение доильного аппарата в конце доения. Такая конструкция пневмодатчика имела ряд существенных недостатков.
Из-за низкой надежности и неудобства от отключающего клапана и клапанной камеры пришлось отказаться. В традиционной схеме серийного пневмодатчика стартовое состояние характеризуется верхним положением штока и поплавка, когда во всех каналах штока переключателя пневмодатчика действует атмосферное давление. При этом калиброванное отверстие поплавковой камеры максимально открыто, что обеспечивает расход 800 г молока в минуту. В процессе доения мо-локовоздушная смесь из доильного аппарата попадает на верхнюю полусферу поплавка датчика, обтекает его и дальше движется по двум направлениям. Одна їсть вместе с пеной отсасывается вакуумом через выходной молочный туцер, другая тоже вместе с пеной стекает по поплавку вниз, медленно за-шняя подпоплавковую камеру. В подпоплавковой камере происходит їзделение молока и пены. В связи с тем, что плотность молока почти в 800 із выше плотности воздуха, оно перекрывает калиброванное отверстие, эекращая отсос воздуха. Давление под поплавком за счет выделения воз- ха из пены и повышения уровня молока начинает расти. В пневмодатчике поплавком и стенками поплавковой камеры имеется довольно узкий азор. Поэтому молоковоздушная смесь сверху в подпоплавковую камеру [дет сплошным потоком, образуя уплотнения между поплавком и стенками юплавковой камеры. В этом случае поплавок можно рассматривать как юршень и предельно допустимые колебания вакуума в поплавковой камере будут АР = рф2 + " , (2.60) где D- диаметр поплавка; т - масса поплавка и штока с соединителем; площадь поперечного сечения поплавка.
Физика происходящих в пневмодатчике колебаний давления следую-щя. В связи с тем, что молоко из доильного аппарата в пневмодатчик и из его поступает пробками, давление над поплавком постоянно колеблется. [ри незаполненном пневмодатчике под поплавком давление более ста-ильно, так как отсос воздуха из подпоплавковой камеры через калибро-анное отверстие перекрыт молоком. При доении коров с бурной молоко-тдачей поршень-поплавок под действием разности давлений начинает одпрыгивать и опорная скоба 4 под собственным весом падает. Поплавок пускается, и , так как поплавковая камера молоком еще не заполнена, роисходит самопроизвольное отключение доильного аппарата.
При доении коров с интенсивностью молокоотдачи ниже 800 г/мин оплавковая камера при поднятом поплавке не успевает заполняться, поэ-эму опорная скоба 4 не падает. Такие коровы не доятся в автоматическом гжиме.
Установка для исследования динамических свойств элементов непрерывного действия
Стойловые автоматизированные доильные установки являются южными системами, имеющими все системообразующие признаки: мно-гство составных элементов; иерархичность структуры; наличие единой :ли; целостность совокупности; внутренняя упорядоченность элементов; зожество связей детерминированного и случайного характера между вы-ленной совокупностью элементов, человеком-оператором и биотехниче-им объектом управления.
Сложность рассматриваемой системы подтверждается тем, что входя-ие в ее состав элементы, в свою очередь, представляют собой взаимос-занные системы и подсистемы: вакуумная система; система молоковывеения; система управления доением; система сбора, учета и транспорти-ования молока; система первичной обработки молока; система подготов-и вымени; система циркуляционной промывки; система дозирования и ыдачи концентрированных кормов и др.
Целью настоящих исследований является технико-экономическое боснование оптимального состава и структуры типоразмерного ряда мо-ульных автоматизированных установок для доения коров в стойлах, обес-ечивающих получение в конкретных условиях максимального количества олока высшей категории качества при минимуме затрат.
В соответствии с целью необходимо решить следующие задачи: вы-зить факторы, определяющие состав оборудования типоразмерного ряда эильных установок; выбрать критерии эффективности; оценить возмож-ые варианты состава модульных доильных установок; выбрать или разра-этать комплект оборудования типоразмерного ряда доильных установок.
Современная стойловая доильная установка обязательно должна Зеспечивать выполнение таких технологических процессов и операций ік: доение коров; транспортирование молока; фильтрацию и подачу мо-эка в емкость для охлаждения и хранения; выполнение контрольного дое-ія; механизированную промывку и дезинфекцию молочной системы после сончания доения. Дополнительно могут быть механизированы обмывание імени коров перед доением и раздача сухих концентрированных кормов ) время доения.
К основным факторам, определяющим типоразмерный ряд доильных тановок, относятся: количество обслуживаемых животных; состав стада; юдуктивность коров; тип используемых доильных аппаратов; тип базо-»й доильной установки; комплектация доильного модуля, в том числе: ко-[чество манипуляторов и систем управления; наличие или отсутствие юмежуточных емкостей; тип системы управления, обуславливающий спо-б подачи энергии и алгоритм функционирования; наличие оборудования [я дозирования кормов; способ раскладывания, складывания стоек моду-и его транспортирования; наличие приводов складывания и перемеще 217 ия; способ транспортирования молока в молочную; технология первичной Зработки молока; унификация оборудования; объемно-планировочные чтения коровников.
Каждый из указанных факторов влияет либо на конструктивный па-іметр доильной установки, либо на организацию труда на ней. Количест-) обслуживаемых животных влияет на производительность молочной ли-їи, общую продолжительность процесса доения, количество используе-ых доильных модулей, определяет состав линии первичной обработки олока. В зависимости от состава поголовья, количества слабо и тугодой- 1Х коров изменяются такие параметры процесса доения как продолжи-льность доения, удой за одно доение. Поэтому исходные данные для рас-;тов необходимо принимать как средние значения ряда расчетных вели-ш, так и ранжированные в пределах заданного интервала изменения па-іметров. Удои определяют размеры емкостей и резервуаров для молока. ш используемого доильного аппарата влияет на среднее время молоко-дачи коров и производительность доильной установки, а тип базовой ильной установки определяет способ транспортирования молока, отсут-вие или наличие промежуточных емкостей для сбора молока, рацио-ільную технологию первичной обработки молока, энергоемкость и ме-ллоемкость установки и др.
Для унификации комплектов оборудования модульных доильных ус-новок с существующими, используемыми для доения в стойлах на привя-и на пастбище, и уменьшения расходов на их проектирование и освоение юизводства были проанализированы относительно новые типовые про-гы коровников до 200 голов, применяемое в них оборудование для дое-:я коров и первичной обработки молока, а также доильное оборудование я доения коров на пастбищных доильных установках /6/.
Большая часть молока производится на общественных фермах с пого вьем 200...800 коров. Основой этих ферм являются здания арочного типа, которых формируются производственные помещения шириной 10,5 и м, рассчитанные на 100...200 коров. Содержание коров преимущественно стойлово-лагерное и стойлово-пастбищное, в стойловый период - привязное. Корма раздаются в основном мобильными средствами КТУ-10А на 75-80% ферм, на остальных: подвоз кормов мобильными средствами, распределение кормов стационарными кормораздатчиками ТВК-80. Навоз убирается скребковыми транспортерами типа ТСН. Для привязи коров используется стойловое оборудование ОСК-25А.
На молочных фермах России преобладают четырехрядные коровники на 200 коров. Тот или иной вариант размещения коров в коровнике в основном определяется принятым способом кормораздачи. В узких четырехрядных коровниках (18 м) со стационарной раздачей кормов транспортерами-кормораздатчиками типа ТВК-80 обычно все четыре ряда размещаются по схеме "хвост к хвосту". Однако таких коровников в хозяйствах значительно меньше (около 20%), чем широких (21 м) с мобильной раздачей кормов.
Основой разрабатываемой доильной установки является модуль-носитель четырех манипуляторов. Следовательно, наиболее целесообразная численность поголовья N=4n, где n-целое число. Поскольку автоматизация процесса доения экономически эффективна на фермах с поголовьем 24 головы и выше, а типовые проекты зданий для содержания коров рассчитаны на 25,50,100,200 голов, то принимаем следующий типоразмерный ряд модульных доильных установок: на 24,48,96 и 192 головы.
