Актуальность темы. Обеспечение потребностей населения в качественных продуктах питания отечественного производства, при одновременном снижении доли импортных является одной из конечных целей Приоритетного национального проекта “Развитие АПК”. Большая роль в решении этой задачи отводится молоку производство которого необходимо поднять не менее чем в 1,5 раза. Важной составляющей проекта является модернизация технологий, в том числе совершенствование процесса доения, на который приходится более 40% всех трудовых затрат по обслуживанию и уходу за животными.

Привязный способ содержания коров является преобладающим, несмотря на то, что он наиболее затратный. Учитывая, что для массового перевода скота на беспривязное содержание требуются определенные условия, и прежде всего строительство новых и реконструкция старых помещений ферм, можно считать, что в ближайшие годы привязный способ содержания животных останется основным. Применяемая при этом способе технология машинного доения требует больших затрат труда, так как операции по подготовке вымени животного, контроль за доением, а также заключительные операции ? машинное додаивание и снятие доильного аппарата выполняются вручную. Кроме того, качество проведения ручных операций во многом зависит от квалификации оператора и его отношения к труду. Часто наблюдаются передержки доильных аппаратов на вымени выдоившихся животных, что приводит к стрессам, тормозится рефлекс молокоотдачи, что ведет к снижению продуктивности. Исключение человеческого фактора, обеспечение адекватной реакции организма коровы на машину на всех стадиях доения и полное опорожнение вымени будет способствовать росту удоев, увеличит срок использования животных, улучшит воспроизводство стада и создаст условия для роста генетического потенциала. Поэтому эффективное ведение хозяйства на современном этапе немыслимо без оснащения молокопроизводящих предприятий совершенной доильной техникой.

Современная доильная техника должна быть высокопроизводительной. Увеличение числа аппаратов, с которыми одновременно работает оператор, ведет к повышению его производительности, но труд становится интенсивный. Оператор из-за своей занятности не успевает во время обслуживать коров в соответствии с физиологическими требованиями. В условиях промышленного стада, когда время доения коров колеблется в значительных пределах, практически невозможно избавиться от простоев или передержек доильных аппаратов на вымени выдоившихся коров. Варьирование длительности молокоотдачи является причиной холостого доения, которое можно устранить путем обеспечения доильного аппарата устройством автоматического его снятия с вымени по завершению доения.

Доильный аппарат должен быть физиологически адаптированным к организму животного, обеспечивая полный вывод молока. Серийные доильные аппараты не в полной мере выполняют вышеуказанные функции. В связи с наползанием стаканов к основаниям сосков оператору приходится проводить машинное додаивание, составляющее до 35 % затрат труда от технологических операций машинного доения. Иначе происходит систематическое недодаивание 6…8 % общего удоя молока с жирностью 10…16% и преждевременный уход коров в запуск.

Наиболее рациональным направлением совершенствования привязного содержания животных при доении на линейных установках с молокопроводом является комплектование их переносными доильными аппаратами, содержащими в своей конструкции устройства для слежения за процессом доения и своевременного снятия доильных стаканов с вымени животного по завершению процесса молокоотдачи.

Исследования проводились в соответствии с планом НИР ФГОУ ВПО “Рязанская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора П.А. Костычева" 1997…2007 гг. Договорной работой с управлением сельского хозяйства и продовольствия Рязанской области 2006 г.

Цель работы. Повышение эффективности процесса производства молока при привязном содержании коров путем совершенствования технологии и технических средств машинного доения.

Задачи исследования

1. Исследовать физико-механические характеристики сосков вымени коровы.

2. Определить направление совершенствования стандартной технологии машинного доения коров

3. Разработать аналитическую модель извлечения молока вакуумным доильным аппаратом из вымени коровы, теорию силового взаимодействия подвесной части доильного аппарата с выменем и произвести их анализ.

4. На основании теоретических моделей разработать конструктивно-технологические схемы и технические средства, включающие доильные аппараты и манипуляторы, обеспечивающие реализацию усовершенствованной технологии машинного доения коров.

5. Обосновать конструктивно-режимные параметры разработанных доильных аппаратов и выявить оптимально-рациональные режимы их работы для реализации усовершенствованной технологии машинного доения коров.

6. Произвести проверку технических средств, реализующих усовершенствованную технологию машинного доения в производственных условиях и определить экономическую эффективность результатов исследований.

Объект исследования. Технологический процесс доения коров аппаратом.

Предмет исследования. Закономерности процесса доения коров и взаимосвязи конструктивно-режимных параметров технических средств извлечения молока.

машинное доение корова

Методика исследования. Системный анализ, принципы единства теории и практики. Теоретические исследования выполнялись с использованием положений и методов классической механики, математики, гидравлики и математического моделирования. Экспериментальные исследования в лабораторных условиях для определения конструктивных и технологических параметров технических средств извлечения молока с применением как общепринятых методик, так и частных. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялось с использованием методов теории их планирования, математической статистики с применением современного программного обеспечения и компьютерной техники. Достоверность выполненной работы подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведением сравнительных производственных исследований.

Научная новизна. Научную новизну работы составляют:

показатели физико-механических характеристик сосков вымени коровы;

усовершенствованная технология машинного доения;

определение доли животных стада подверженных передержкам на вымени доильных аппаратов от числа их у оператора;

теоретические основы выведения молока вакуумным доильным аппаратом и изменения параметров сосков при этом;

конструктивно-технологические схемы стимулирующе-адаптированных доильных аппаратов и манипуляторов, реализующих усовершенствованную технологию доения коров;

теоретические положения по обоснованию коструктивно-режимных параметров разработанных доильных аппаратов и манипуляторов;

оптимальные параметры стимулирующе-адаптированных доильных аппаратов и манипуляторов, режимы их работы;

результаты производственной проверки усовершенствованной технологии доения и разработанных доильных аппаратов и манипуляторов.

Практическую ценность имеют предложенные на основании теоретических разработок конструктивно-технологические схемы доильных аппаратов и манипуляторов, режимы их работы обеспечивающие сокращение затрат труда и повышение производительности дояра, повышение продуктивности коров и снижение заболеваемости вымени. Предложены зависимости оценки уровня передержек доильных аппаратов и производительности оператора от числа одновременно обслуживающих аппаратов.

Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО "Рязанская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора П.А. Костычева" (г. Рязань, 1997…2007 гг.); на Х Международном симпозиуме по машинному доению сельскохозяйственных животных, первичной обработке и переработке молока (г. Переславль-Залеский, 2000 г.); на межвузовской научно-практической конференции в ФГОУ ВПО “Костромская ГСХА” (г. Кострома, 2000 г.); на научно-практической конференции посвященной 50-летию инженерного факультета Пензенской ГСХА (г. Пенза, 2002 г.); на Всероссийской научно-практической конференции в ФГОУ ВПО “Ульяновская ГСХА” (г. Ульяновск, 2003 г.); на Международной научно-практической конференции ФГОУ ВПО "Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова" (г. Саратов, 2006 г.); на Международной научно-практической конференции в ГНУ ВНИИМЖ (пос. Знамя Октября, Подольский р-н, Московской области, 2006…2007 г.); на Международной научно-практической конференции "Роль молодых ученых в реализации национального проекта "Развитие АПК"" ФГОУ ВПО "Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина" (г. Москва, 2007 г); на 6-й Международной научно-технической конференции (г. Москва, ГНУ ВИЭСХ, 2008 г).

Реализация результатов исследования. Выпущена опытная серия переносных доильных аппаратов с манипуляторами. Разработанные доильные аппараты и манипуляторы внедрены в ряде хозяйств Рязанской области. Результаты исследований нашли отражение в монографии и внедрены в учебном процессе аграрных высших учебных заведениях. Технические средства доения демонстрировались на Международном салоне инноваций и инвестиций (2005…2006 гг.), Международной сельскохозяйственной выставке “Золотая осень" (2006 г.). На V Международном салоне инноваций и инвестиций доильный аппарат с манипулятором удостоен бронзовой медали. Усовершенствованная технология с применением разработанных новых технических средств рекомендована к использованию и вошла в программу развития агропромышленного комплекса Рязанской области на 2008…2012гг. Результаты экспериментально-теоретических исследований по проектированию доильных аппаратов и манипуляторов переданы в ГНУ ВНИИМЖ. Техническая документация на доильные аппараты с манипулятором и с изменяющейся нагрузкой на четверти вымени передана ОАО “Ряжский авторемонтный завод”, Рязанское УПП ВОС и заложена в фонды Рязанского ЦНТИ.

Защищаемые положения:

На защиту выносится:

показатели физико-механических характеристик сосков вымени коровы;

усовершенствованная технология машинного доения;

математические зависимости определения вероятности передержек на вымени выдоившихся коров доильных аппаратов от их числа у оператора;

теоретические основы выведения молока вакуумным доильным аппаратом;

конструктивно-технологические схемы стимулирующе-адаптированных доильных аппаратов и манипуляторов;

теоретические положения по обоснованию коструктивно-режимных параметров разработанных доильных аппаратов и манипуляторов;

оптимальные параметры разработанных доильных аппаратов и манипуляторов, режимы их работы;

результаты производственной проверки технологии доения и разработанных технических средств извлечения молока у коров.

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 58 изданиях, в том числе в научной монографии, 15 патентах РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из реферата, введения, шести разделов, выводов, списка использованной литературы, включающего 190 наименований, приложений. Работа изложена на страницах машинописного текста, из которых основной текст содержит страницы.

Содержание работы

Введение. Обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и ее народнохозяйственное значение. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе "Состояние проблемы машинного доения коров" дан обзор и анализ состояния исследуемой проблемы, изложены основные физиологические требования к машинному доению коров, а также выполнен анализ результатов научных исследований в этом направлении.

Применение существующей технологии доения коров при привязном содержании и доильных аппаратов не позволяет полностью механизировать процесс машинного доения, а также не всегда учитывает физиологические особенности коровы. Биологическим показателем реакции животных на возникающие неблагоприятные условия внешней среды является снижение молочной продуктивности коров и увеличение продолжительности их доения. Исследованию процесса машинного доения и разработке доильной технике посвящены труды А.А. Аверкаева, Е.И. Админа, Е.М. Асманкина, К.У. Базанова, И.А. Барышникова, Э.К. Вальдмана, М.Л. Гордиевских, Т.К. Городецкой, Л.П. Карташова, В.И. Квашенникова, Э.А. Келписа, В.В. Кирсанова, Э.П. Кокориной, В.Ф. Королева, И.Н. Краснова, А.Е. Кузьмина, А.А. Курочкина, З.В. Макаровской, В.С. Мкртумяна, Ю.М. Огнева, П.И. Огородникова, Н.А. Петухова, В.М. Побединского, Н.П. Проничева, В.П. Саврана, С.А. Соловьева, А.Г. Тараненко, А.И. Фененко, Ю.А. Цоя и целого ряда других авторов. Анализ научных работ показывает, что теория молоковыведения признаёт несовершенство стандартной технологии, анализирует причины и факторы, определяющие её несоответствие физиологическим потребностям животных, слабое стимулирование рефлекса молокоотдачи и неполное выдаивание коров без применения ручного труда. Без решения этих вопросов нельзя кардинально усовершенствовать технологию и разработать технические средства доения, обеспечивающие повышение эффективности производства молока.

В связи с этим была сформулирована цель диссертационной работы и поставлены задачи исследований.

Во втором разделе "Стандартная технология машинного доения при привязном содержании и пути ее совершенствования" проанализированы операции, выполняемые по стандартной технологии доения коров при привязном содержании.

Выявлена взаимосвязь между повышением производительности труда оператора за счет увеличения числа доильных аппаратов и вероятностью их передержек на вымени выдоившихся коров. Намечены пути совершенствования технологии доения коров при привязном содержании коров.

Производительность труда оператора на доильной установке зависят от числа аппаратов, с которыми одновременно он работает. При ручном доении дояр все время занят одной коровой, пока не выдоит ее.

При машинном доении он имеет возможность, пока доится одна корова, подготовить еще несколько животных и подключить к ним аппараты. Производительность дояра будет

, (1)

где n ? число доильных аппаратов у дояра; ,? соответственно продолжительность машинного доения и ручного труда на подготовительно-заключительные операции при доении одной коров; ?коэффициент учитывающий затраты времени на переходы, варьирование машинного выдаивания коров и прочее.

Рисунок 1 ? Зависимость производительности дояра Q от числа аппаратов n: ; ; 4? экспериментальная кривая

На рисунке 1 представлены теоретические зависимости (=1) производительности дояра от числа обслуживающих им аппаратов при различных значениях средней продолжительности машинного доения. Продолжительность ручных операций, затрачиваемых на корову, принята постоянной мин. Производительность дояра растет с увеличением числа доильных аппаратов,; с которыми он одновременно работает. При стандартной технологии привязного содержания с доением в молокопровод оператор работает обычно с тремя, реже с четырьмя аппаратами. Тогда при средней продолжительности машинного доения одной коровы 6 минут его производительность соответственно колеблется от 22,5 до 30 гол/ч. Зависимость 4, построенная по обобщенным экспериментальным результатам различных исследователей, указывает на то, что в формуле (2) коэффициент имеет значения меньше нуля. Увеличение числа доильных аппаратов, приходящихся на оператора ограничено, так как с их ростом дояр не будет успевать выполнять операции в соответствии с правилами машинного доения. Сдерживающий фактор ? холостое доение, возникающее при передержках аппаратов на вымени выдоившихся коров, что ведет к снижению удоев и заболеванию мастистом.

Оптимальное число доильных аппаратов следует определять по формуле:

(2)

где k₁ ? коэффициент, учитывающий степень загрузки оператора при доении.

На наш взгляд, для эффективного работы дояра следует иметь степень загрузки оператора k₁ = 0,85…0,9, так как на практике при привязном содержании коров и доении в молокопровод данный показатель не превышает 0,7. Для выполнения этого условия необходима более совершенная технология доения коров.

Правильный выбор числа доильных аппаратов, с которыми одновременно может работать оператор, важен, но сделать это крайне сложно. Продолжительность затрат ручного труда на доильной установке зависит от физиологических требований к процессу доения и при расчете ее можно принять постоянной величиной. Возникает вопрос, что брать за время машинного доения коров . Продолжительность машинного доения у коров в группе различна. При использовании среднего значения продолжительности машинного доения коров в группе, будут возникать как передержки аппаратов на вымени, так и простои операторов, что подтверждается практикой.

Допустим, что молокоотдача прекратилась одновременно у нескольких коров в группе, обслуживаемой дояром. В виду того, что оператор одновременно работает с n доильными аппаратами и количество одновременно доящихся коров равно их числу, то дояр не будет успевать их вовремя обслуживать. Поэтому продолжительность передержек аппаратов на вымени выдоившихся коров и соответственно длительность холостого доения можно оценить разностью:

(2)

где ? продолжительность машинного выдаивания i-коровы.

Очевидно, если , то происходит холостое доение у i-коровы. Неравенство будет выполняться, если продолжительность машинного доения i-коровы

<,

где ? среднее время машинного доения коров в группе. Преобразование выражения (2) приводит к формуле:

(3)

где Р ?доля коров в стаде, подверженная холостому доению, ; N,? соответственно общее число коров в группе и подверженных сухому доению, гол.

Формула (3) справедлива при n>1 (так как при одном доильном аппарате передержка на вымени невозможна) и позволяет приближенно оценивать реальную

долю коров в группе, обслуживаемых дояром, подверженных холостому доению от числа доильных аппаратов, с которыми одновременно он может работать.

Рисунок 2 ? Зависимость доли коров в группе подверженных холостому доению от количества доильных аппаратов у оператора

Так по существующей технологии привязного содержания с доением в стойловый молокопровод холостому доению будут подвержены до 33% коров стада (рис.2), если оператор одновременно работает с тремя аппаратами. Заметим это лишь приближенные данные, но весьма наглядно раскрывающие суть проблемы.

Попытка повысить производительность труда за счет числа доильных аппаратов приводит к увеличению количества коров подверженных холостому доению.

Одновременно с передержками доильных аппаратов на вымени одних коров группы, оператор при обслуживании части животных стада имеет простои. Эта противоречивость является следствием изменения длительности молокоотдачи у коров, что отмечается многими исследователями. Основным путем исключения передержек является то, что сразу после выдаивания коровы необходимо снимать доильный аппарат с вымени.

При разработке совершенных технических средств доения коров (рис.3) основным критерием является соответствие разрабатываемого оборудования физиологии животного. Создание доильного аппарата, способного вызывать рефлекс молокоотдачи, поддерживать его на необходимом уровне и обеспечивать чистое извлечение молока из вымени без проведения операции машинного додаивания ? это основная задача. При совершенствовании доильной техники следует обращать на то, что она должна исключать негативные причины, связанные с дояром и влияющие на эффективность выдаивания коров. Поэтому необходимы автоматизированные доильные аппараты, позволяющие выполнять вместо дояра ряд операций: слежение за доением, своевременное отключение аппарата и его снятие с вымени после доения. Это не только повышает производительность труда операторов и снижает трудоемкость извлечения молока у коров, но что не мало важно, исключает передержки аппарата на вымени и связанное с ними “холостое доение” и снижает вероятность возникновения мастита у коров.

Рисунок 3 ? Схема совершенствования процесса машинного доения

Анализируя возможности сокращения продолжительности технологических операций, можно сказать, что, исключив из технологии только машинное додаивание с обеспечением полного выдаивания коров и выполнив автоматическое снятие подвесной части доильного аппарата, можно сократить ручные операции на 20…40 с. При разработке аппарата стимулирующего рефлекс молокоотдачи дополнительно сокращается до 20 с ручного труда. Это позволит довести продолжительность ручных операций, затрачиваемых дояром на корову до 1,2…1,4 минут. Тогда оптимальное число доильных аппаратов при среднем времени машинного выдаивания коров 5…7 минут составит 4…5 на оператора. Это повысит производительность оператора в 1,25…1,4 раза и позволит выдаивать 30…35 и более коров в час.

В третьем разделе "Теоретические основы создания технических средств доения" представлены теоретические предпосылки создания технических средств извлечения молока, позволяющих усовершенствовать технологию доения коров при привязном содержании. Предложены теоретические модели извлечения молока из вымени коров вакуумным доильным аппаратом и удлинения сосков при доении. Рассмотрено взаимодействие доильного стакана с соском. Приведены конструкции стимулирующе-адаптированных доильных аппаратов и манипуляторов. Представлены схемы исполнительных механизмов доильного аппарата, а также аналитические зависимости для расчета конструктивно-режимных параметров технических средств извлечения молока.

Процесс выведения молока из вымени коровы вакуумным доильным аппаратом подчиняется общим правилам течения жидкостей. В момент открытия канала соска с наступлением такта сосания скорость течения струи минимальная, а давление молока на стенки соска максимальное. С увеличением скорости течения струи давление соответственно уменьшается, поскольку потенциальная энергия струи переходит в кинетическую. Скорость увеличивается до тех пор, пока давление струи уравновесится давлением, препятствующим открытию канала соска. Из-за пульсирующего вакуума с наступлением такта сжатия вытекание молока прерывается. Наблюдается неустановившееся движение молока. Допустим, что сосок вымени имеет цилиндрическую форму с постоянным внутренним сечением F, а заканчивается сосок молоковыводящим каналом с сечение f. Предположим, что молоко из соска выводится так же, как жидкость истекает через насадок. Применим уравнение Бернулли для неустановившегося движения молока. Сечение 1?1 (рис.4) выберем по началу цистерны соска, а сечение 3?3 по обрезу конца.

Рисунок 4 ? Схема к определению скорости струи молока

Для выбранных сечений имеем:

, (1)

где , ? средние скорости молока в сечениях 1-1 и 3-3, м/с; ,? давление молока в сечениях 1-1 и 3-3, Па; ? высота молочного столба между сечениями, м; ? плотность молока кг/м³; g ? ускорение свободного падения, ; ? частная производная изменения скорости молока, м/с²; dh ? изменение высоты перемещаемого молока, м; ? потери напора при движении молока по соску, м.

После преобразований уравнения (1) приводится к виду:

, (2) где и .

Интегрируя выражение (2), получаем:

(3)

Теоретически при стремление времени t? движение молока на выходе из соска приближается к установившемуся, со скоростью . После замены постоянных а и b в формуле (4) их значениями с учетом вышесказанного получим:

(4)

В действительности переходной режим длится очень ограниченный отрезок времени. Допустим, что длительность переходного режима течения молока в соске оценивается временем, в течение которого скорость меняется от 0 до 0,99.

Тогда продолжительность неустановившегося режима течения молока

(5)

Приняв значения величин: , и подставив в формулу (5), получим с. В доильном аппарате при продолжительности цикла в 1 с, такт сосания = 0,6…0,7 с, время неустановившегося движения потока молока в отдельно взятом такте сосания будет лишь 1,5 % от его продолжительности. Практически с преодолением сопротивления сфинктера и открытия молоковыводящего канала соска наступает установившееся движение. Поэтому для определения скорости истечения молока из соска вымени можно использовать формулу (4).

С учетом действующих сил в молоковыводящий канале (рис.4, выносной элемент А), выражение (4) примет вид:

(6)

где ,? соответственно цистернальное давление молока, величина вакуума под соском и значение тонуса сфинктера, Па;. А, l ? периметр и длина молоковыводящего канала, м.

Рисунок 5 ? Зависимости скоростиструи молока от вакуума р_в: 1? теоретическая; 2 ? экспериментальная; 3? фактическая

Скорость выведения молока зависит от его давления в цистерне железы, вакуума в подсосковой камере доильного стакана, тонуса сфинктера выводного канала и от размеров соска. Зависимость 1 (рис.5) построена по формуле (6). Кривая 2 ? по опытным данным при исследовании аппарата АДУ-1М на установке “искусственное вымя”, а 3 по результатам реальной дойки (разовый удой 8,5 кг). Зависимость 1 практически копирует кривую 2. Однако реальная скорость молока при выходе из соска значительно ниже. Очевидно, что аппарат вызывает при доении торможение рефлекса молокоотдачи. Чем ближе приближается кривая 3 к 1, тем лучше доильный аппарат адаптирован к организму животного и тем быстрее и полнее будет выдаиваться корова.

Соски вымени при доении значительно удлиняются, поэтому при проектировании доильной техники необходим закон изменения их размеров. Пусть сосок представляет полый цилиндр, на боковые контуры которого действуют нормальные давления и , а на торцевую площадь ? вакуум . Выражение для определения кратности удлинения сосков будет:

. (7)

где упругая постоянная, ; E ? модуль упругости, Па; m ? коэффициент поперечной деформации; l ? начальная и конечная длина соска, м; , ? соответственно начальный радиус наружный соска и его внутренней полости, м.

Рисунок 6 ? Изменение длины l соска вымени при машинном доении от величины вакуума р_в

Так как удлинение сосков , то длина соска будет .

На рисунке 6 приведены графические зависимости изменения длины сосков (l₀ =60…65 мм) при доении по результатам разных исследователей. Зависимость 1 построена на основании исследований В.Ф. Ко-ролева, 2 ? по опытным данным Н.И. Проничева; 3? по эмпирической формуле И.Н. Краснова, а кривая 4 ? по формуле (7). Как видно из графиков сходимость зависимости 4 достаточна для использования результатов исследований при проектирования доильной техники.

Теоретическое обоснование доильного аппарата стимулирующего действия.

Рисунок 7 ? Основные режимы доения

Полноценный рефлекс молокоотдачи достигается правильностью проведения подготовительных операций перед доением. Особое значение при выдаивании молока из вымени доильным аппаратом приобретает массаж вымени. Он должен проводиться до момента припуска коровой молока. Анализ работ показал, что массаж вымени во время машинного доения может оказать отрицательное влияние на молочную железу. Многие исследователи предлагают процесс выведения молока из вымени коров разбить на отдельные стадии по графику интенсивности молокоотдачи. Так, исходя из сказанного, можно выделить три фазы (рис.7).

Для каждой фазы выведения молока должен быть оптимальный режим работы аппарата. После надевания стаканов доильный аппарат должен в фазе А в течение 20.30 с проводить усиленные массирующие воздействия на соски вымени. При возрастании интенсивности молокоотдачи до 0,45…0,5 кг/мин, аппарат переходит в режим работы для фазы Б, т.е. происходит интенсивное выведение молока. При снижении молокоотдачи до 0,5…0,4 кг/мин наступает фаза В ? машинное додаивание с заключительным массажем сосков вымени.

Нами разработана конструкция доильного аппарата стимулирующего действия (рис.8), работающего по рассмотренному режиму, новизна которого подтверждена патентом РФ на изобретение №2115304. Доильный аппарат с управляемой стимуляцией (далее ДАУС) имеет стаканы 1, коллектор 2, основной пульсатор 3, работающий с частотой 1 Гц, стимулирующий пульсатор 4 функционирующий с частотой пульсаций 8…10 Гц, молокосборник 5 с отключающим устройством 6 в виде ковша с клапаном.

А. Б.

1? доильный стакан; 2? коллектор; 3 ? основной пульсатор; 4 ? стимулирующий пульсатор; 5 ? молокоприемник; 6 ? отключающее устройство; 7 ? шланг; 8 ? клапан; 9 ? ковш с жиклером

Рисунок 8 ? Доильный аппарат с управляемой стимуляцией: принципиальная схема - А; общий вид - Б

В доильном аппарате ДАУС в первоначальный и заключительный периоды доения основной и стимулирующий пульсаторы работают совместно. Из-за подачи стимулирующим пульсатором в межстенную камеру стаканов незначительных порций воздуха с частотой 8…10 Гц при такте сосания, средняя величина вакуума в этой камере меньше чем в подсосковой. Поэтому наблюдается полусжатое состояние сосковой резины с микроколебаниями ее стенок с амплитудой 1.2 мм (рис.9 А). Это позволяет массировать соски вымени до начала интенсивной молокоотдачи и по ее завершению, снижать наползание стаканов и вредное воздействие вакуума на соски.

А. Б.

? атмосферное давление; ? вакуум в подсосковой камере; ? ? изменение давления в межстенной камере; ? продолжительность такта сосания; ? продолжительность такта сжатия

Рисунок 9 ? Схема работы доильных стаканов и осциллограмма давлений в межстенных камерах доильных стаканов в начальной и заключительной стадии доения (А) и в основное время доение (Б)

При интенсивной молокоотдаче аппарат ДАУС переходит на двухтактный режим работы. Это позволяет за более короткое время извлекать основного количества молока. Сосковая резина в такте сосания не сжимает сфинктер соска и поэтому не затрудняет выведению молока (рис.9 Б).

Время, затрачиваемое на подготовительные операции должно находиться в пределах 45…60 с. Поэтому все виды стимуляции молокоотдачи перед доением не должны превышать по длительности скрытого периода молокоотдачи.

Исходя из конструкции доильного аппарата ДАУС, время работы стимулирующего пульсатора t равна продолжительности , определяется наполнением ковша и при постоянных его геометрических размерах зависит от интенсивности выведения молока и площади отверстия в ковше.

Рассмотрим действующие силы на систему ковш-клапан (рис.10).

Сумма моментов сил, действующих на систему относительно точки А поворота ковша, будет иметь вид

(8)

где ? соответственно расстояние от точки поворота до центра тяжести ковша и поршня, м; ? соответственно сила тяжести ковша; сила тяжести молока; сила тяжести подвижных частей клапана; сила от вакуума; сила, действующая на ковш со стороны струи молока, Н.

1? ковш; 2? отверстие; 3? шарнир; 4? клапан; 5? молокоприемник; 6? патрубок

Рисунок 10, 11 ? Схема отключающего устройства заполнения ковша. Схема к расчету времени.

Сделав допущение, что молоко осуществляет косой удар о дно ковша, то сила от струи молока, действующей на ковш:

(9)

где ? плотность молока, ; ? площадь поперечного сечения входного молочного патрубка крышки ведра, ; ? скорость истечения струи молока, ;

? угол наклона молочного патрубка, град.

Силу тяжести молока определим из выражения:

(10)

где ? площадь зеркала молока в ковше, ; ? уровень молока в ковше, м.

Подставим значение сил в выражение (10), решив относительно уровня молока в коше h, получим:

(11)

При выполнении условия (11) ковш выйдет из исходного состояния и переместится в крайнее нижнее положении и стимулирующий пульсатор отключится.

Рассмотрим процесс наполнения до уровня h. Выделим в ковше элементарный объем жидкости на расстоянии h от отверстия (рис.11). Элементарный объем жидкости в ковше имеет вид

Время заполнения ковша будет

(12)

где , ? объемная производительность соответственно на притоке молока и вытекании через отверстие, /с.

Количество жидкости вытекающей через отверстие

(13)

где ? коэффициент расхода, .

Объемная подача молока в ковш зависит от интенсивности молокоотдачи коровы. Её можно определить исходя из зависимости (6). Проще получить зависимость на основании экспериментальных данных.

Как видно из рисунка (рис.7, зона А) интенсивность молокоотдачи за время латентного периода повышается равномерно, практически линейно, тогда на этом участке выражение для притока можно записать:

(14)

где n₁ ? коэффициент пропорциональности, м³/с²; t ? продолжительность доения, с.

Формула (13) с учетом (14) и (15) примет вид

(15)

Решение уравнения имеет вид:

(16)

где С ? постоянная интегрирования.

Выражение (16) характеризует взаимосвязь конструкторско-режимных параметров отключающего устройства стимулирующей секции пульсатора. Задавшись конструкцией ковша и временем его наполнения, определяют площадь отверстия в ковше для своевременного включения или отключения стимулирующего пульсатора.

При извлечении молока у коров двухтактными доильными аппаратами наблюдается чрезмерное наползание стаканов на соски и, как следствие, преждевременное прекращение молоковыведения. Оттягивание вниз доильных стаканов руками, предотвращающее наползание, требует значительных затрат времени.

А. Б.

Рисунок 12 ? Схема сил, действующих на сосок: такт сосания (А), такт сжатия (Б)

Наползание стаканов на соски происходит при такте сосания доильного аппарата. При такте сосания под соском действует вакуум, вызывающий силу присасывания стакана Р_{н1 (}рис.12 А), направленную вверх. При перемещении стакана по соску возникает сила трения F_т1, препятствующая движению. Кроме того, от массы доильного стакана возникает сила тяжести G₁. Также действует сила от давления натянутой в стакане сосковой резины Р_с1, что вызывает сопротивление упругости тканей соска этому обжатию Р_у. В присоске происходит деформация утолщенной зоны соска и появление силы Р_сп, препятствующей движению стакана вверх.

Уравнения равновесия сил, действующих на сосок:

; (17)

Так как нормальная реакция соска равна силе упругости , то выражение для определения силы трения запишется как

где f₁ ? коэффициент трения сосковой резины о поверхность соска; р_s? среднее давление резины на сосок, Па; d, l₁? соответственно диаметр и длина соска, охватываемая сосковой резиной без учета высоты присоска, м.

Силу присасывания можно определить через величину вакуума под соском, т.е. . Сила тяжести стакана определится как (m ? масса подвесной части доильного аппарата, приходящая на один стакан, кг). Силу сопротивления вертикальному перемещению стакана в области присоска

где р_вп? разрежение в полости присоска, Н/м²; f₂ ? коэффициент сопротивления перемещению стакана; k ? коэффициент, учитывающий площадь утолщенного участка соска, участвующую в сопротивлении перемещению стакана; d₁?диаметр утол-щенной части присоска его, м; l₂ ? рабочая высота присоска, м.

Для простоты расчетов можно принять, что коэффициенты трения f₁ = f₂. После подстановки составляющих величин, входящих в формулу (17) получим, решая относительно массы стаканов:

(18)

Масса подвесной части доильного аппарата должна подбираться таким образом, чтобы стаканы с одной стороны не наползали на соски, а с другой не спадали с сосков. Спадание доильных аппаратов с вымени происходит обычно при такте сжатия.

С наступлением такта сжатия смыкание стенок сосковой резины первоначально происходят под соском, а затем распространяется вверх. Следует заметить, что у цилиндрической сосковой резины смыкание стенок происходит не полностью. Моделирование путем построения геометрических кривых сжатия соска при смыкании стенок сосковой резины показали, что площадь торца (кончика) соска уменьшается в 2,7…3,0 раза по сравнению с первоначальной. При диаметре соска 25 мм и вакууме под соском 48 кПа во время такта сосания, действующая сила на стакан вверх, составит , а при такте сжатия будет всего .

У стандартного доильного стакана резина защемлена на концах и при смыкании ее стенок сжатие соска происходит под углом (рис.12 Б). На сосок действует сила от давления сосковой резины , что вызывает сопротивление упругости тканей соска. Суммарная выталкивающая сила, со стороны соска на стакан, направлена вниз, а со стороны сомкнувшейся резины вверх. Целесообразно суммарную выталкивающую силу разделить на составляющие: боковую, возникающую от реакции боковой поверхности соска равную и торцевую , действующую на верхушку соска. Давление стенок сосковой резины на сосок по длине различное. Наибольшее давление наблюдается на верхушку соска при смыкании стенок сосковой резины. Поэтому стакан начинает перемещаться по соску вниз. Движение стакана по соску приводит к появлению силы трения , направленной вверх под углом к вертикали. Кроме того, от массы доильного стакана возникает сила тяжести . Результирующую силу Р_сп, возникающую в присоске, примем равную по величине, что и при такте сосания, но направленную противоположно, так как стакан по соску перемещается вниз.

Уравнение равновесия сил действующих на сосок при такте сжатия

(19)

или с учетом значений сил, входящих в формулу (19), запишем:

(20)

где ,? соответственно давление сосковой резины на боковую поверхность соска и его верхушку, Н/м²; S_т ? площадь торцевой поверхности присоска, м².

Решая выражение (20) относительно массы, получаем:

(21)

Выражение (21) позволяет вычислить массу стаканов, которые устойчиво удерживаются на сосках при такте сжатия работы доильного аппарата. Подстановка численных значений в формулы (18) и (21) позволила получить величины при которых стаканы не наползают на вымя коровы, и обеспечивается полное выдаивание молока без затрат ручного труда масса подвесной части доильного аппарата должна быть около 5 кг, а для надежного удерживания стаканов на вымени при такте сжатия необходима - 2,5 кг. Масса подвесной части серийных доильных аппаратов колеблется от 2 до 3,0 кг. Что говорит об не оптимальном ее значении, которое приводит при доении к наползанию стаканов на соски вымени.

На наш взгляд, при доении следует автоматически перераспределять оттягивающее усилие на сосках в зависимости от такта работы аппарата. Подвесная часть такого доильного аппарата представлена на рисунке 13.

А. Б.

Рисунок 13 ? Подвесная часть доильного аппарата: принципиальная схема (А); общий вид (Б);

1, 2 ? стаканы; 3 ? коллектор; 4, 8, 9, 11, 12 ? камеры; 5 ? распределитель; 6 ? цилиндр; 7 ? поршень; 10 ? демпфер; 13, 14 ? каналы; 15, 16 ? патрубки; 17 ? клапан

После подключения доильного аппарата к источнику вакуума, оператор надевает стаканы на соски вымени коровы. Пульсатор подает одновременно в камеру 12 распределителя воздух, а в камеру 11 - вакуум. Вакуум из камеры 11 по патрубку 15 поступает в межстенные камеры доильных стаканов 1, в этой доли вымени наступает такт сосания. Воздух из камеры 12 по патрубку 16 подается в межстенные камеры стаканов 2 другой половины вымени, где наступает такт сжатия. Одновременно вакуум по каналу 13, а воздух по каналу 14 поступают соответственно в камеры 8 и 9 цилиндра 6. От возникшего перепада давлений поршень 7 перемешается в крайнее левое положение, происходит перераспределение массы коллектора, действующей на доильные стаканы. Под стаканами 1 появляется сосредоточенная сила тяжести от поршня 7, что исключает их наползание на соски вымени. Под стаканами 2 значение силы тяжести пропорционально уменьшается, что способствует их надежному удерживанию на сосках вымени при снижении вакуума под ними от смыкания сосковой резины в такте сжатия. При переключении пульсатора происходит противоположная замена тактов. В стакане 2 наступает такт сосания, а в стакане 1 - такт сжатия и соответственно перераспределение массы в коллекторе, действующей на доильные стаканы 1 и 2. От изменения положения центра масс коллектора происходит его раскачивание, передающееся на вымя, что расценивается как положительный фактор, стимулирующий молокоотдачу и увеличивающий полноту извлечения молока.

В виду сложности аналитического рассмотрения взаимодействия подвесной части доильного с выменем коровы, в диссертационной работе приняты допущения. Трубки, соединяющие стаканы с коллектором приняты в качестве нитей, масса которых сосредоточена в коллекторе, а его цилиндр представлен в виде направляющей

Рисунок 14 - Расчетная схема взаимодействия подвесной части доильного аппарата с выменем, по которой перемещается поршень.

При раскачивании подвесной части аппарата соски вымени совместно с доильными стаканами изменяют свой угол наклона относительно вертикали (рис.14).

Допустим значение реакций со стороны коллектора таковы, что стаканы будут неподвижны на сосках вымени, т.е. длины стержней О₁А = О₂В = l = const при движении всей системы. Взаимодействие подвесной части с выменем удобно рассматривать по этапам.

Выберем произвольное положение системы и приложим действующие силы. При подключении доильного аппарата к вакууму, перепад давлений передается на поршень, он приходит в движение по направляющей, от чего изменяется положение центра масс системы.

При этом поршень и направляющая перемещаются в противоположные стороны. Так как направляющая зафиксирована концами на подвесах (молочных трубках), то происходит их отклонение с увеличением угла поворота относительно вертикали. Поршень совершает относительное движение по направляющей, которая в свою очередь совершает поступательное движение.

Уравнение относительного движения поршня будет

(22)

где сила, действующая на поршень, Н; силы инерции поршня и трения, Н.

С учетом значений входящих сил в формулу (22), получим

(23)

где ? величина вакуума, Н/м²; S₁ ?площадь торца поршня, м²; t?время, с; f ? коэффициент трения поршня о цилиндр; эмпирический коэффициент.

Для определения движения системы в целом, воспользуемся теоремой о движение центра масс, имеем:

(24)

(25)

где ? координаты центра масс системы направляющая?поршень, м; соответственно масса поршня и всей остальной системы (корпус коллектора с молочными патрубками), кг.

При этом ; (26)

где расстояние от конца цилиндра коллектора до поршня, м; ? координаты центра тяжести соответственно поршня и корпуса коллектора, м.

Продифференцировав дважды выражения (26) и подставив в уравнения (24), (25), решая совместно, имеем

(27)

Подставив ускорениеиз выражения (23) в формулу (27), получим:

(28)

Нелинейное уравнение можно решить численно с начальными условиями . Если принять, что угол мал (рассматриваются малые колебания, что в нашем случае вполне уместно) и, пренебрегая малыми величинами, получим упрощенное выражение колебания подвесной части доильного аппарата

(29)

Введем обозначения:

, (А>0),

(В>0).

Тогда выражение (29) будет иметь вид

(30)

Применяя стандартные правила решения таких уравнений, получаем закон изменения угла отклонения

(31)

Решая совместно выражения (23) и (31) получаем закон движения поршня в цилиндре коллектора:

где ; (32)

Рисунок 15 - Схема к расчету

При достижении поршнем крайнего положения происходит удар о торцовую стенку направляющей (рис.15). От чего увеличение угла поворота прекращается, он достигает максимального значения. В виду того, что на поршень продолжает действовать сила от пере-пада давлений, то при ударе поршень остается у торцевой стенки. Удар можно считать неупругий. От получен-

ного импульса направляющая совместно с поршнем начинают двигаться в обратном направлении с одной скоростью, горизонтальная проекция которой составляет u. Угол уменьшается, движение системы при этом будет только поступательное, так как поршень относительно направляющей остается неподвижным.

Из теории удара будем иметь

(33)

где , соответственно скорость поршня и остальной системы, м/с, .

Из выражения (33) находим скорость системы после удара:

(34)

Наиболее вероятным является движение всей системы в направлении движения поршня до удара.

Приняв, что вся масса системы сосредоточена в точке центра масс С (C₀), применим теорему об изменении кинетической энергии.

(35)

где соответственно начальная и текущая скорость центра масс системы, м/с.

Учитывая, что , преобразования выражения приводят к уравнению:

= (36)

где а ? постоянная, равная .

Интегрируя выражение (36), получаем

(37)

где

Выражение (37) определяет закон изменения угла поворота подвесов системы при ее совместном поступательном переносном движении. Угол поворота подвесов и перемещение направляющей поршня зависит от начальной скорости , циклической частоте и сдвига фаз колебаний .

Начальная скорость, входящая в выражение (37) определяется по выражению:

(38)

Для определения реакций подвесов рассмотрим движение точки С, где находится центр сосредоточения масс системы (рис 15). Обозначим через угол отклонения подвесов от вертикали в некоторый момент времени, когда точка центра масс системы занимает положение точки С.

По принципу Даламбера сила тяжести , реакции подвесов , , касательная сила инерции , центробежная сила будут находиться в равновесии

(39)

где ? координаты центра масс системы, м.

Подставляя значения сил входящих в систему (39), и решая относительно реакций , , получаем:

(40)

(41)

По выражениям (40) и (41) определяются реакции на соски со стороны колеблющегося коллектора доильного аппарата при совместном поступательном движении поршня с направляющей.

Продолжительность совместного поступательного движения системы

(42)

По истечении этого времени пульсатор переключиться для изменения тактов и перепада давлений, действующих на поршень. Поршень и направляющая снова перемещаются в противоположные стороны. Угол увеличивается относительно вертикали, но в противоположную сторону. Закон изменения колебаний системы будет происходить аналогично начальному этапу движения поршня, только при решении выражения (30), изменятся начальные условия. Если за начало данного этапа принять t=0, то , Начальная угловая скорость системы является конечной скорость рассмотренного ранее этапа при достижении угла , тогда уравнение (31) будет

(43)

Выражения (31) и (43) для определения угла поворота подвесов коллектора отличается друг от друга членом . При установившемся движении коллектор доильного аппарата будет отклоняться при работе на угол, определяемый по формуле (43).

Создание малогабаритного и эффективного исполнительного механизма переносного манипулятора доения для линейных доильных установок ? важная проблема. Она может быть решена на основе пневмодвигателя, разработанного под руководством автора. Пневмодвигатель (рис. 16) оригинальной конструкции (патент РФ № 2203535) содержит корпус 1, внутри которого размещена цилиндрическая камера 2 с эксцентрично установленным ротором 3. На валу ротора шарнирно одним концом закреплены лопатки 4 криволинейной формы. Подвесная часть доильного аппарата поднимается с помощью гибкой нити 5, наматываемой на барабан 6, соединенный с ротором через малогабаритный планетарный редуктор 7. Двигатель работает от вакуума, действующего на лопатки. Подвод вакуума происходит через патрубок. Воздух поступает в камеру через отверстие в корпусе.

Криволинейные лопатки не требуют замены в течение всего эксплуатационного