автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Исследование и разработка доильного аппарата с щадящим режимом действия

ПБ Ой

• На правах рукописи

г \ а« «

Макаровская Зоя Вячеславовна . ,

V

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ДОИЛЬНОГО

АППАРАТА С ЩАДЯЩИМ РЕЖИМОМ ДЕЙСТВИЯ

05.20.01. - Механизация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оренбург -1998

Работа выполнена в Оренбургском государственном аграрном университете

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники России.

доктор технических наук, профессор Л.П. Каргашов Научный консультант- доктор технических наук, профессор П.И.

Огородников

Официальные оппоненты: - доктор технических наук. профессор

М.И.Филатов;

- кандидат технических наук, доцент В.С.Назаров

Ведущая организация - Оренбургский региональный институт переподготовки и повышения кватнфикании руководящих кадров и специалистов АПК

Защита состоится "26" декабря 1998 т. б "_часов на 'заседании

диссертационного совета Д. 120.95.01 Оренбургского государственного аграрного университета по адресу:

460795, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Оренбургского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан "_" ноября 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, |

доктор технических наук /: ' П. И. Огородников

!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Товарное производство молока - одного из основных продуктов питания - состоит из ряда технологических операций, среди которых наиболее сложным является машинное доение коров. Машинное доение по трудовым затратам занимает 40..65% совокупных затрат на производство единицы продукции.

Исследователи и практики как на наиболее значительный резерв повышения эффективности указывают на дальнейшее совершенствование автоматизации и механизации машинного доения коров. Но, как показывает опыт, с ростом уровня механизации и автоматизации данного процесса, возрастает и число заболеваний вымени у коров. Поэтому приспособление доильной техники к анатомическим и физиологическим особенностям животных является одной из задач, от эффективного решения которой зависит не только само молоковыведение, но и сохранение максимальной продуктивности животных на период, обусловленный естественно-биологическими факторами. В решении этой задачи важнейшее значение имеют исследования и разработка доильной техники с щадящим режимом действия, аппарата, способного наиболее полно реализовать генетический потенциал животного.

Цель исследования. Исследование и разработка доильного аппарата щадящего режима действия.

Объект исследования. Процесс машинного доения коров доильным аппаратом с точки зрения эффективного молоковыведения и безопасного доения.

Методика исследования. Аналитическое изучение технологического процесса с применением методов статистического моделирования, классической механики, современных средств вычислительной техники. Математическое моделирование процессов функционирования биотехнической системы методом факторного анализа. Научную новизну составляют:

- моделирование процессов функционирования биотехнической системы методом факторного анализа;

- математическая модель перепада вакуума в межстенном пространстве доильного стакана на минимальном количестве параметров (один параметр либо небольшая группа).

- вид аналитических зависимостей: «прогиб - перепад», «скорость выведения жидкости -прогиб», «наползание - прогиб».

Практическую ценность представляют:

- конструкция доильного аппарата и доильных стаканов для обеспечения щадящего режима доения;

- расчет конструкторско-технологических параметров доильного стакана;

- результаты проверки в производственных условиях основных положений диссертации и их эффективности.

Экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры "Механизация животноводства" Оренбургского государственного аграрного университета на экспериментальных установках, а так же в производственных условиях на молочно-товарной ферме АОЗТ "Ленинское" Оренбургского района Оренбургской области в 1998 году. Результаты исследований обрабатывались методами математической статистики для подтверждения результатов математического моделирования на компьютере IBM PC класса Pentium®-166ММХ.

Апробация. Основные положения работы доложены, обсуждены и одобрены в 199" г. на IX Международном симпозиуме по машинному доению сельскохозяйственных жи вотных (г. Оренбург); на семинарах кафедры механизации животноводства Оренбургское аграрного университета в 1998 г.; на конференциях: на региональной научно-практическог конференции молодых ученых и специалистов в 1996 году, на региональной конференцш молодых ученых и специалистов в 1997 году.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в виде 2 статей, : тезисов. Новизна работы в установленном порядке подтверждена 4 положительными ре шениями на выдачу патентов на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, общи) выводов и предложений, списка использованной литературы (177 наименований). Работ, изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков, 17 таблиц, ( приложений на 102 страницах.

Реализация результатов исследования. Разработанные доильные аппараты с регу лятором вакуума внедрены в АОЗТ "Ленинское" Оренбургского района Оренбургской об ласти.

На защиту выносятся:

- моделирование на ЭВМ биотехнической системы методом факторного анализа;

- математическая модель объекта механизации с целью обоснования конструкции доиль ного аппарата и технологических режимов его работы;

- расчет конструкторско-технологических параметров доильного стакана;

- результаты экспериментальных исследований эксплуатационных характеристик доиль ного аппарата в лабораторных и производственных условиях.

Введение посвящено обоснованию актуальности темы и краткому изложению поло жений, выносимых на защиту.

В первой главе проведен анализ литературных источников с целью выделения ос новных факторов, определяющих эффективное и безопасное молоковыведение в сискм "живой организм - технические средства".

Научной основой настоящего исследования послужили труды Е. И. Админа, Л.Е. Агеева, Е. М. Асматшна, Н. М. Антраповского, Н. А. Барсова, А. Л. Батурина, В. И. Боро-зенцева, Б. И. Вагина, Е. К. Городецкой, М. Л. Гордиевских, А. В. Гольденфанга, В. А. Дриго, А. И. Завражного, Ю. И. Залевского, Л. П. Карташова, Л. П. Кармановского, В. И. Квашенникова, В.Ф. Королева, В. С. Краснова, Э. П. Кокориной, В. Е. Козлова, А. С. Курах, Э. А. Келписа, С. П. Лищинского, В. А. Лисковича, А. Б, Лурье, А. Н. Могильного, П. И. Огородникова, Н. К. Оскамитного, Н. П. Прокичева, Н. А. Петухова, С. А. Соловьева, А. И. Тольденфанга, И. А. Цишшша, В. Ф. Ужика, А. И. Фененко, 10. А. Цоя.

Несмотря на множество предлагаемых решений, актуальной остается задача создания конструкции доильного аппарата, сочетающего высокую производительность с щадящим режимом действия. Установлено, что "жесткая" - нефизиологичная работа доильного аппарата может оставить без эффекта все затраты по стимуляции молокоотдачи в процессе доения. Анализ литературных источников дает основание для вычленения позиций, по которым у исследователей наблюдается единство, что, в свою очередь, свидетельствует об общепризнанности в исследуемой сфере ряда моментов, а именно:

1. Эффективность молоко выведения зависит от технических характеристик доильного аппарата.

2. Фактором, в наибольшей степени негативно влияющим на здоровье животного, является величина рабочего вакуума.

3. Для повышения эффективности доения имеет значение режим работы доильных машин в зависимости от молокоотдачи.

Дальнейшая автоматизация процесса молоковыведения ограничивается отсутствием оптимальных решений машинного додаивания (направленных, например, на исключение эффекта "наползания" доильных стаканов на вымя животного), что приводит к систематическому недодаиванию коров и преждевременной их выбраковки из-за болезней вымени.

4. Современные доильные аппараты не обеспечивают стимуляцию рефлекса молокоотдачи и поддержание его в процессе доения. Разрабатываемые конструкции должны иметь устройства для стимулирующего воздействия на животных.

5. Актуальным остается создание доильного аппарата, адекватного по техническим параметрам и действию исполнительных систем физиологии животных. Приоритетным и перспективным направлением является оптимизация вакуумного режима в соответствии с физиологическими особенностями.

В результате анализа литературных источников разработана "Классификация задач обеспечения щадящего режима доения" и определены основные направления, позволяющие достаточно полно охватить обеспечение различных его проявлений. Создание доильного аппарата с регулируемыми рабочими параметрами (через регулирование вакуумного режима в межстенных камерах доильных стаканов) является одним из основных условий

обеспечения щадящего режима доения. Для такого утверждения имеются следующие основания:

исключение эффекта "наползания" доильных стаканов на вымя животного сокращает время на операцию машинного додаивания или вовсе исключает ее из технологического процесса, а в результате уменьшается преждевременная выбраковка жшзот/гых;

понижение величины вакуума в межстенном пространстве доильного стакана обеспечивает сосковой резине слегка "сплющенное" состояние, что ограждает сосок животного от вредного воздействия вакуума и стимулирует рефлекс молокоотдачи.

Задачи исследования. Для реализации цели были поставлены следующие задачи:

1. Определить методы исследования, позволяющие выделить основные факторы, от которых максимально зависит молоковыведение в системе "живой организм - технические средства";

2. Построить математическую модель объекта механизации для обоснования конструкции доильного аппарата и технологических режимов работы;

3. Разработать конструкции исполнительных механизмов (доильных стаканов) и теоретически обосновать конструкт орско-технологические параметры к некоторым из них;

4. Экспериментально исследовать эксплуатационные характеристики доильного аппарата в лабораторных и. производственных условиях.

Во второй главе изложены теоретические основы разработки доильного аппарата щадящего режима действия от модели до технико-технологической реализации. Достижение цели исследования предполагает прогностическое исследование системы. Построение прогностической модели биотехнической системы проводилось в шесть этапов: построение модели объекта, выбор метода исследования (прогнозирования), разработка математической модели объекта, моделирование объекта, технико - технологическая реализация математической модели объекта на функционирующем оригинале и/или комплексе алгоритмов и программ, проверка прогностической модели на функционирующем оригинале с вероятной корректировкой. Принцип системности анализа требует рассмотрения объекта прогнозирования как системы взаимосвязанных характеристик объекта с позиции целей и задач исследования. Тогда модель биотехнической системы, функционирующая в реальных производственных условиях, представляет собой "черный ящик", имеющая вход и выход (рис.1а). На входе данной системы действуют:

вектор контролируемых (управляемых) факторов Х=(хь х2, ...х„ ... х,„), представляющий собой значения технологических параметров, определяющих технологический режим работы объекта, - рабочие параметры доильного аппарата (величина перепада вакуума в межстенном пространстве доильного стакана, вакуум смыкания), а так же степень воздействия на вымя коровы (натяжение и прогиб сосковой резины) и т.д.;

вектор возмущающих факторов £=(2ь 7.2, ...г,, ... г^), представляющий собой значения параметров анатомических (длина и диаметр соска) и физиологических (скорость выведения жидкости, интенсивность молокоотдачи) характеристик животного, его состояния, надежность технических средств, нарушения организационного и зоотехнического плана и технологии производства молока;

вектор неуправляемых измеряемых факторов \У=(\уь ...\ус), отражающий размеры молоко- и вакуумпроводящих шлангов, вес подвесной части доильного стакана и т.д.

На выходе системы имеем выходной вектор У=(Уь У2, - Уь ••• Уп)> характеризующий состояние биотехнической системы как результата совокупного воздействия входных факторов (векторов X, Ъ, \\0- К ним можно отнести такие показатели, как качество молока, производительность аппарата, наползание доильного стакана и т.д.

Влияние неуправляемых измеряемых факторов (вектора \У) можно принять за постоянную величину, поскольку они стабильны в производственно - технологическом процессе (в модели не учитываются). В векторе Ъ, будем учитывать только параметры, относящиеся к морфологическим особенностям животного. Исходя из указанных положений, модель объекта исследования и прогнозирования упрощается до системы с двумя входным и одним выходным векторами X, г и У соответственно (модель объекта, функционирующая в условиях, приближенных к идеальным, рис. 1 б).

X

ъ \¥

Модель объекта У

-►

X

ъ

-► Модель

-► объекта У

Рис.1. Модель объекта исследования, функционирующего: а) в реальных производственных условиях б) в условиях, приближенных к идеальным

Входные параметры, кроме вакуума смыкания, являются случайными величинами, принимающими числовые значения либо в нормируемых пределах (для идеальных условий), либо за пределами таковых.

Выбор метода исследования проводился по методике С. А. Саркисяна, что соответствовало факторному анализу. Факторный анализ проводился по схеме: построение матрицы исследования; корреляционный анализ; факторный анализ методом главных компонент с варимаксным вращением матрицы; оценка факторов и построение модели ступенчатым регрессионным методом.

Матрица исследования составлялась из параметров-столбцов (см. таблица 1) на основе векторов X, 2, У, количество строк - количество разыгранных наблюдений, их-124.

Для формирования связанных параметров и расширения матрицы исследования на таблично заданных значениях были построены регрессионные модели "прогиб - перепад", "скорость выведения жидкости - прогиб", "наползание - прогиб". Исходные данные для построения матрицы представлены в сводной таблице 1 и сформированы по двум вариантам, ввод осуществлялся программно:

1 вариант - все значения параметров, включая и полученные по регрессионным мс делям, нормализованы и случайно распределены (Nonn);

2 вариант - нормализованы и случайно распределены (Norm) только параметр! представленные средним значением и среднеквадратическим отклонениям, остальные cbj зывались функционально с перепадом вакуума в межстенном пространстве по регрессио! ным моделям, построенным по таблично заданным значениям. Величина натяжения соск< вой резины, в отличие от первого варианта, выбиралась не по среднему значению и откл< нению, а разыгрывались четыре значения - Р=9,81н, Р=29,43н, Р=58,86н, Р=88,29н.

Таблица

Исходные данные матрицы исследования

N параметры вид исход, данных ВС, кПа Р,н расчетные формулы вариант 1 вариант 2

1 Q1 Qi=2,4-4,75*t+3,75*t2-0,63*t3;

2 Q2 - - Q2=-0,77+6,28*t-2,82*^+0,33*t3; Norm

3 Оз Ог^Зв+З^МДЭ^+ОЛЗП3;

4 А^меж ср. и откл.

5 п Р О г и б p=f(Alw) 9.3 9.81 p=0.4210E+01+0.1991*(Atw)' Nonn

29.43 р=0.2417Е+01+0.3026*(Д11Меж)1

58.86 р=0.2113Е+01+0.3415*(Д11меж)1

88.29 р=-0.2161Е+01+0.5134*(ДЬЖ1(с)1

6 12 9.81 р=0.2953Е+01+0.2674*(ДЬыгж)'

29.43 р=0.1188Е+01+0.3634*(Д11мсж)1

58.86 p=0.8173+0.3902*(AhMnK)'

88.29 р=-0.2472Е+01+0.4955*(Д11меж)1

7 скорость V=f(p) 9.3 при всех Р V=0.28289E+01-0.34624E-01*p' Nonn

8 12

9 наползание N=f(p) 9.3 при всех Р N=0.229E+2*pu+0.2181 E+l *р' -0.6196Е-01*р2+0.5832Е-03*р3 Norm

10 12

11 длина соска среднее .и откл. Norm Norm

12 диам. соска Norm Norm

13 натяжение Norm 4знач

Примечание: Ыогт - нормализованные значения (нормально распределенные случайны величины), полученные по средним значениям и среднеквадратическим отклонениям.

Проведение корреляционного анализа на сформированной матрице по двум вариантам выявил следующее: для первого варианта расчета все коэффициенты корреляции } Гу |<1, по второму варианту линейные связи наблюдаются для параметров, значения которых оказались связанными функционально изначально при построении матрицы исследования. Для остальных значения коэффициентов в основном меньше 0,5 по модулю.

Факторный анализ выявил объединение параметров по факторам, представленное па рис.2. ФАКТОРЫ (по 1 варианту) ПАРАМЕТРЫ ФАКТОРЫ (по 2 варианту) | Фактор~

1)01, интенсивность

2) О 2, интенсивность

3) 3, интенсивность

4) перепад вакуума в межст. пр-ве

5) прогиб соск. резины ВС=9.3

6) прогиб соск. резины ВС=12

7) скорость выв./жидк. ВС=9.3

8) скорость выв./жидк. ВС=12

9) наползание

ВС=9.3

10) наползание

ВС=12

11) дтша соска коровы

12) диаметр соска коровы

13) натяжение соск. резины

[Фактор 3

Рис. 2. Структуры гипотез, основанных на факторном отображении Прямые, соединяющие факторы с параметрами, соответствуют высоким факторным нагрузкам. Предварительный анализ показал предпочтительность второго варианта перед первьм. Поскольку в первом варианте все факторы равнозначны (т.е. одинаково вбирают в себя параметры, все 82фах«1).Прк принятии гипотезы, основанной на факторе 6 и содержащей перепад вакуума - натю/сенпе будет играть решающую роль, а сама модель достаточно сложна, поскольку дисперсия этого параметра не высока - 0.5363 по модулю. Во втором варианте фактор 1 вобрал в себя основную часть параметров (82фаК1~6,74), все остальные лежат в пределах от 1 до 2. В данном случае можно говорить о достаточно простом описании параметра, поскольку его дисперсия максимальна, т.к. нагрузка равна 0.9041, а в остальных факторах колеблется от 0.0095.. 0.1758 по модулю. При принятии гипотезы, основанной преимущественно на факторе 1 (варианта 2), нельзя сказать, какой из параметров оказывает решающее влияние на перепад вакуума.

Окончательную оценку факторов для выбора гипотезы проводили после регрессионного анализа ступенчатым методом и построения модели перепада вакуума в межстенном

пространстве доильного стакана на всем поле параметров. Оценку факторов проводил сравнением моделей по вариантам. Второй вариант оказался предпочтительнее первого.

Результаты расчета, проведенные ступенчатым регрессионным методом, сведены таблицы 2,3, где вычисления проводились по технологическим группам (01,02,03) и ра: личным технологическим режимам (вакуумам смыкания - ВС). Анализ моделей показат что кроме параметра наползашм на перепад вакуумметрического давления оказываю влияния параметры, имеющие ненулевые вклады - натяжение, диаметр соска и скорост выведения жидкости (при ВС=9,ЗкПа). При ВС=12кПа аналогичным параметром оказыв; ется натяжение. Построение моделей проводилось по значимому параметру - наползанш при различных значениях вакуума смыкания (см. таблицы 5,6.)

Результаты расчета модели для 01,02, 03

__Таблица

Модели перепада вакуума при ВС=9,ЗкПа; значимый параметр - наползание

№ параметр вклад

2 01, 02, 03, интенсивность молокоотдачи .ОООООООЕ+ОО

5 величина прогиба сосковой резины, ВС=9,3 .ОООООООЕ+ОО

7 скорость выведения жидкости, ВС=9,3 .9805061Е-02

9 наползание, ВС=9,3 .9753106Е+00

11 длина соска коровы .ОООООООЕ+ОО

12 диаметр соска коровы -.1227108Е-01

13 натяжение .2715544Е-01

коэффициент детерминации =.9496883Е+00

средняя абс. ошибка =.1123104Е+01; средняя ошибка в % =.9487781Е+01

Модель: у= -0.459510Е+03*х 7°+ 0.565988Е+03*х 7' - 0.231052Е+03*х72 + 0.312878Е+02*х 73 + 0.196393Е+02*х 9° - 0.103512Е+01 *х</ +0.820183Е-02*х92 + 0.168335Е-04*х93+ 0.719250Е+01*Х12°- 0.271824Е+00*хи1- 0.192154Е+01* х ,з°+ 0.177816Е-01*х п1 + 0.345323Е-03*хп2 + 0.156919Е-05*х 133 (1)

Таблица

_Результаты расчета моделей для 01,02,03 при ВС=12кПа_

Модели п!2, п22, п!3, перелада вакуума; значимый - наползание

№ параметр вклад

1 01, интенсивность молокоотдачи .ОООООООЕ+ОО

6 величина прогиба сосковой резины, ВС=12 .ОООООООЕ+ОО

8 скорость выведения жидкости, ВС=12 .0000000Е+00

10 наползание, ВС=12 .9840233Е+00

11 длина соска коровы .ОООООООЕ+ОО

12 диаметр соска коровы .ОООООООЕ+ОО

13 натяжение .1597671Е-01

коэффициент детерминации =. 9554917Е+00

средняя абс. ошибка =. 1080422Е+01; средняя ошибка в % =.9127213Е+01

Модель: у=0.199066Е+02*х10°-0.824327Е+00*х,01 +0.665614Е-03*х1О2 -0.220211Е+01 *хи0 + 0.442944Е-01 фх13| + 0.107290Е-03*х132 (2)

Таблица 4

Модель пар31 перепада вакуума от наползания

№ параметр вклад

9 паползание, ВС=9,3 .1000000Е+01

коэффициент детерминации = .8090348Е+00

средняя абс. ошибка = .2065719Е+01; средняя ошибка в % =. 1745083Е+02 Модель: у= + 0.174927Е+02*х 9° + -0.657794Е+00*х д1 (3)

Таблица 5

Модель пар12 перепада вакуума от наползания

№ параметр вклад

10 наползание, ВС=12 ЛОО00ООЕ+01

коэффициент детерминации = .8579040Е+00

средняя абс. ошибка= .1697394Е+01; средняя ошибка в % =. 1433929Е+02 Модель: у=+О.19О832Е+О2*х1О0-О.793Об4Е+ОО*Х|о1+О.519598Е-О2*хю2 (4)

+ 0.375532Е-04*х103

Исходя из результатов факторного анализа, разработана конструкция доильного аппарата с регулятором вакуума, позволяющим изменять величину вакуумметрического давления в межстенных камерах доильных стаканов (рис.3). Доильный аппарат содержит доильные стаканы 1, пульсатор 2, коллектор 3, доильное ведро 4, регулятор вакуума 5. Регулятор 5 имеет регулируемый клапан 6 и обратный клапан 7. Клапан 6 установлен на канале 8, а клапан 7 - на канале 9. В регуляторе имеется канал 10, сообщающийся с каналом 11, снабженным краном 12. Клапан б расположен в камере 13, а клапан 7 - в камере 14. Клапан 6 содержит пружину 15 и регулировочный винт 16. Клапан 7 выполнен в виде шарика. Канал 10 на месте контакта его с клапаном 7 имеет углубление в форме конуса.

Доильный аппарат работает следующим образом. Регулятор 5 устанавливается между пульсатором 2 и межстенными камерами доильных стаканов 1 следующим образом: регулятор 5 подсоединяется к коллектору 3 и доильному ведру 4 параллельно трубопроводу переменного вакуума. При закрытом канале 11 (кран 12 в регуляторе 5 устанавливается в состояние "закрыто") регулятор 5 начинает работать. При подключении доильного аппарата к вакуумпроводу вакуум распространяется в камеру переменного давления пульсатора 2, затем поступает в камеру 13 клапана 6, откуда по каналу 8 поступает в межстенные камеры доильных стаканов 1. Величина вакуума в межстенных камерах доильных стаканов 1 будет ниже номинальной из-за действия пружины 15. Винтом 16 сила действия пружины 15 на клапан б изменяется с таким расчетом, чтобы в канале 8 и в межстенных каме-

pax доильных стаканов 1 создавался вакуум, верхний предел которого ниже номинального на определенную величину - в такте "сосания" работает клапан 6, создающий необходимое понижение величины вакуума в межстенных камерах доильных стаканов 1, что заставляет сосковую резину несколько сжаться, препятствуя наползанию доильных стаканов на соски, не мешая отсасыванию молока.

Рис. 3. Схема доильного аппарата с регулятором вакуума Величина перепада вакуума выбирается, исходя из физиологических характеристик животного. Под соском же постоянно образуется вакуум номинальной величины. При такте "сжатие" воздух от пульсатора 2 поступает к клапану 6, под действием пружины 15 клапан б перекрывает канал 8. Воздух по каналу 9, через клапан 7, по каналу 10 поступает в межстенные камеры доильных стаканов 1, т.е. при такте сжатия работает клапан 7 и в подсосковых камерах доильных стаканов 1 сохраняется номинальная величина вакуума, а в межстенные камеры подается атмосферное давление. В результате переключения пульсатора 2 сосковая резина под действием атмосферного давления сплющивается, предохраняя сосок от вредного воздействия вакуума, массирует и препятствует наползанию доильных стаканов. При открытом канале 11 регулятор 5 отключается и в межстенных камерах доильных стаканов 1 величина вакуума колеблется обычным образом, как в двухтактных аппаратах. При закрытии канала 11 регулятор 5 начинает работать.

Исходя из результатов факторного анализа, разработана конструкция доильного стакана с возможностью плотного обжимания сосока животного при любом диаметре.

Доильный стакан выполнен по двум вариантам (рис. 4), что позволяет производить элоковыведение как в режиме машинного доения (первый вариант), так и имитацией со-шия коровы теленком (второй вариант).

вариант 1 вариант 2

акта "сосания" в продольном разрезе; фиг.2 - в сечении А-А фиг. 1 в положении такта сосания" (по варианту 1), фиг.З - в сечении А-А фиг. 1 в положении такта "сжатия" (по арианту 1); фиг.4 - в сечении А-А фиг.1 в положении такта ""сосания" (по варианту 2) )иг.5 - в сечении А-А фиг.1 в положении такта "сжатия" (по варианту 2). Доильный стакан одержит гильзу 1, расположенный в нем сосковый чулок 5 с присоском 2 и продолышми офрами 8, совмещенный с молочной трубкой 4, и патрубок переменного вакуума 3.

По варианту 1, толщина стенок гофр 8 меньше негофрированной части 9 чулка 5. "офры 8 выполнены на части длины чулка 5 от присоска 2 и имеют внутреннюю утолщен-[ую часть 9, как показано на рис. 4 фиг. 2, По варианту 2, гофры 8 расположены на двух иаметрально противоположных участках, а внутренняя часть соскового чулка 9 между офрами 8 выполнена с выступами 11 различного радиуса кривизны. Внутренняя часть искового чулка 5 между гофрами 8 выполнена с выступами 11 на части длины соскового !улка 5 от присоска 2, Выступы 11 выполнены в виде полусфер прямолинейно и парал-гельно оси соскового чулка 5. Доильный стакан работает следующим образом. При под-слючении доильного аппарата к вакуумной линии через патрубок молочной трубки 4 в тодсосковой камере 6 доильного стакана создается вакуумметрическое давление, через

патрубок переменного вакуума 3 подается атмосферное давление в межстенную камеру 7. Происходит такп "сжатия".

По варианту 1, гофры 8, сжимаясь, утягивают чулок 5 в направлении к соску 10 вымени животного (фиг.З). При этом расположенные между гофрами 8 части соскового чулка 9 своей внутренней выпуклой утолщенной частью, направленной в центр соскового чулка 5, воздействуют на сосок 10 вымени животного, обжимая его равномерно со всех сторон, в местах контакта не травмируя его. По варианту 2, гофры 8, сжимаясь, утягивают в направлении друг к другу части соскового чулка 9 (фиг.5), которые в свою очередь, воздействуя на сосок 10 вымени животного с двух сторон, сжимают его, Массируя его выступами 11, имеющими закругленные кромки. При такте "сосания" доильный стакан работает одинаково по двум вариантам. При такте "сосания" через патрубок переменного вакуума 3 создается вакуумметрическое давление в межстенной камере 7, а в подсосковой камере 6 остается вакуумметрическое давление. Гофры 8 возвращают сосковый чулок 5 в исходное положение. Осуществляется такт "сосания" (фиг.2 - по варианту 1, фиг.4 - по варианту 2). Далее цикл повторяется.

Для определения конструктивных параметров доильного стакана производился расчет воздействия сосковой резины на сосок (конструктивные размеры см. рис. 5).

фиг.1

фиг.2

фиг.3

Рис. 5. Некоторые конструктивные размеры доильного стакана Расчетная схема доильного стакана (для варианта 2) представлена на рис.б.

Л

2 У

* ■* ^

2>

.А*

ось симметрии

Рис.6. Схема действия сил на сосковую рез!шу и сосок при такте "сжатия": Ь, !г - ширина и толщина части соскового чулка с выступами, расположенными между гофрами; а, 8Р - ширина и толщина амортизатора; Ру - сила упругости резинового амортизатора слева и справа; Др - разность атмосферного и вакуумметрического давления (распределенная нагрузка)

Часть соскового чулка, расположенная между гофрами и воздействующая на сосок, представляет собой прямоугольную балку на упругом основании. Гофры, исполняющие роль амортизаторов, показаны частично со стороны части соскового чулка. Максимальный прогиб балки под действием распределенной нагрузки Лр находится по краям амортизатора. Уравнение равновесия сил в момент такта "сжатия" имеет вид:

АР-5-^=0, (5)

п 2

где а - площадь, по которой приложено давление, см ;

Площадь, по которой приложено давление на сосковую резину с соском, определяется:

5 = (Ь+2-а)-/, где I-длина площадки, см. Сила упругости резинового амортизатора слева и справа определяется по формуле:

Ж

Р, = —, ' ' 5

где деформация амортизатора, см; 5- податливость амортизатора, см /кг.

Величина 5 определяется как смещение под действием единичной силы, приложенной к амортизатору. Считая силу со стороны сосковой резины с учетом жесткости сосковой резины деформацией балки на упругом основании, имеем

(б)

где Ср -объемный коэффициент жесткости сосковой резины, кг/см3;

\УР -поперечная деформация резины под действием силы Др (прогиб резины), см;

-площадь контакта сосковой резины с соском, см2., где Б) = Ь • 1 . Силу со стороны соска коровы с учетом жесткости соска определяем как деформацию балки на упругом основании: Ар ■ £ - Ру = С. ■ IV__ ,У,, (7)

где Сс -объемный коэффициент жесткости соска коровы, кг/см3;

Тогда имеем:

Г, =

Др-Б-Ру

IV =

Ар-Б-Р,

СрЯ ' " С.-й

Уравнение совместности деформаций позволяет записать:

В результате проведенных преобразований деформация амортизатора:

ш =

16

б-Др-5-(Ср + Сс)

Тогда: Г,

¿•С,

с, + сс+г-5'1-с -с,

■ лр -5, (9)

=-

5-С„

с,+с,+г-Л1-с,.сс

(8)

• АР-5 (Ю)

В конечном итоге имеем: Wc)p=/f4 а, Ь,1) (11)

Податливость амортизатора определялась с учетом его констуруктивных размеров под действием единичной силы. Поскольку конструкция амортизатора симметрична, то приложенная сила на каждую сторону амортизатора будет равна 1/2 от единичной силы. Схема нагружения амортизаторов представлена на рис. 7. Для определения искомого перемещения использовалась формула Максвелла - Мора. Для данного случая грузовая и единичная эпюры совпадают, т.к. нагружение производится единичной силой. Эпюра изгибающих моментов от приложенной единичной силы представлена на рис. 8.

Гн Л,

г-У

1 Ь

г 2 1 слой

р.-1

»с

1 слон

XX

2 слон

2 слой

Ь

С

ось симметрии

Рис.7. Схема нагружения двух амортизаторов: г - радиус амортизатора; 1о - расстояние между радиусами амортизатора; Р- приложенная сила (Р= 1/2)

Рис. 8. Эгаора изгибающих моментов от приложенной единичной силы к двум амортизак рам:

Ф - угловая координата; 2- первый, 4- второй криволинейные участки (примечание: дал< эпюра симметрична относительно оси (т.е. повторяется, как на "1" слое амортизатора).

Для "п" слоев податливость амортизатора определяется по формуле:

8 = 2~ • [П, • Л/„„ + А + Си " 1)■ И + Л + 4)]. (12)

1е П| - площадь эшоры изгибающих моментов для 1-го участка (треугольного); Гит -ордината единичной эпюры под центром тяжести эпюры моментов для 1-го участка

¡1- М1ц м - результат перемножения эпюр на 1-ом участке;

1 - результат перемножения эпюр на 2-ом участке (первом криволинейном), определяемый интегралом Мора;

- результат перемножения эпюр на 3-ем участке (в виде трапеции), определяемый интегралом Мора по формуле Верещагина; 1.з - результат перемножения эшор на 4-ом участке (втором криволинейном), определяемый интегралом Мора;

я

1 1

де А, =-■ [(л-г + гЗ/лр)2 -г с!<р = -^-х-[2-а2 +3-г2-4-а-г)-г + ±-г2 -(а-г) ,

4 о

О

жончательно имеем:

!){а,г,1,10,Зр,п) =--!—■л-1<,-10-а-г + п-а-г2 +

Е-—'- 4 12

3 Л 1 ? ^ ^ 2 7 1 - Ч

8 2 4 0 4 12 2

2 « ? 3 э 1 } 1 2 1 5 1 7

+ -■/„ - г2 +--тг-г---г-а2---а-г---п-л-а г -п г---а•/„ +

3 8 2 2 2 12

+1./в+1.а3) (13)

6 2 0 12 6 7

го есть выявляется функциональная зависимость: 8=/(а, г, 1,10, 8р, п) (14)

Расчет оптимальных параметров доильного стакана со стандартной гильзой и сосковым чулком с п=2 проводили при следующих конструктивных параметрах и размерах: сосковая техническая резина марки "пищевая" ГОСТ 7338-75, Ь=0,25см.; Ср=0,6..1,25кг/см3 (при Е=100 кг/см2); Сс=0,2..0,5..0,9 кг/см3; Др=48кПа =0,49 кгс /см2 (АДУ-1); Ъ=аср=2,5см; Ь=0,35см; Я=<1Ср+Ь=2,85см; а= (Кв„- Ь -2Ь3)/2 =0; Явн,4,1см ; 113=0,2см

Изменение податливости амортизатора от длины и ширины амортизатора, представлены на графиках рис. 9а,9б, изменение деформации резины и сока от податливости, вычисляемые по формулам (9), (10), представлены на графиках рис. 9в,9г. Выявлено, что податливость амортизатора существенно зависит от технических свойств резины - модуля продольной упругости и минимальна при Е=100 кг/см2. Полученные графики зависимостей ^N¿=/(3, а, Ь, I), \Ус=/(<$ а, Ь, I) деформации при Е--Ю0 кг/см2 от податливости амортизатора 5, позволяют выбрать оптимальные параметры стаканов как стандартных, так и нестандартных размеров.

б

8(0.5,0 3,1,0,0Д2) 5| 5(0.$0Д!,0Д32) 4 5(0.7,0.3,1,0,0.2,2) 6(ОДО.3,1,0,0.2,2) 8(0.9,0.3,1,0,0.22)

б(а,0.3 ,1,0,0.2,2) 8(в,0.3 ,2,0,0.2,2) 5(«,0.3 ,3,0,0.2,2) 8С«.0.3 .4,0,0.2,2)

8Са,0.3 ,5,0,0.2,2)

1 2 3 4 5 6 7 8 1 1 8

а)8=[(а, г, /, /о, 5Р, п), при /=0,5..8 см, п=2 б) г, 1,1о, 5Р, п), при а=0..2 см, п=2

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 6 0.7 0.8 0.9 1 О 8 1

3.3

3

/ ^

1№:1(8)

\Vc2iS)

•«(»3(6) 1.1 1

0.5

0

-- "'Г > 1 1 |...1_ 1

а- 1 —

1

"б / -- * "* № - —

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 8

г)\Ус=/(4 а, Ь, I), где а=0,5см, ¿=2,5см, 1-7 ш.

в) "ЭД'р=/(8, а, Ь, I) ,где ¡2=0,5см, Ь=2,5см, /=7см.

Рис.9 Графики зависимостей В третьей главе изложены результаты лабораторных и производственных испыта ний для оценки теоретических положений прогностической модели, варианта ее техниче ской реализации на функционирующем оригинале - регуляторе. Лабораторные испытали включали в себя разработку методики проведения испытаний и лабораторной установи Лабораторная установка была смонтирована по структурно-функциональной схеме, пре; ставленной на рис. 10 и включала в себя пульсатор, регулятор вакуума, коллектор, два да-

о

а типа МДДФ-УК для снятия осциллограмм, два манометра для визуального контроля 1,2) вакуумметрического давления, осциллографа, четырех доильных стаканов, трена-:а "искусственные соски" и крана. Лабораторный стенд настраивался на режим работы лыюго аппарата АДУ-1 (основное исполнение). Целью лабораторных испытаний бьио «деление основных конструктивных размеров регулятора вакуума при которых он подживает необходимый перепад в четырех доильных стаканах одновременно и обеспечи-г плавное его изменение в необходимом диапазоне (10..30кПа) с определенным запа-

Рис. 10. Структурно-функциональная схема исследовательского стенда Конструктивные размеры регулятора назначались с учетом предыдущих разработок ютотипа). Один из основных параметров регулятора -диаметр проходного сечения капа определялся лабораторными испытаниями при различных его значениях -8,10,12 мм и личинах перепада вакуума. Изменение проходных сечений каналов в регуляторе произ-дили комплектом сменных втулок. Пружина регулируемого клапана подбиралась по шдартной методике расчета жесткости и напряжений (пружина сжатия №271; ГОСТ 770-68).

Лабораторные испытания показали, что кривая изменения вакуумметрического дав-ния в межстенном пространстве доильного стакана (основной оценочный показатель боты доильного аппарата с регулятором вакуума) стабильна во всех циклах такта "coca-re". Из циклограммы так же следует, что вакуумметрическое давление поддерживается повременно в четырех стаканах на одном уровне. В качестве конструкционного пара-

метра рекомендуется диаметр проходного сечения каналов в 8мм, параметры пружины по добраны верно. Регулятор вакуума обеспечивает плавное регулирование в необходимо» диапазоне.

Влияние доильного аппарата с ре1улятором вакуума и доильного аппарата со ста к а нами, имеющими гофрированный чулок, на лактирующий организм животного, их соот ветствие физиологическому процессу молокоотдачи проверялся в производственных услс виях. Испытания двух экспериментальных аппаратов проводились на фоне серийног АДУ-1(основное исполнение). Экспериментальные доильные аппараты комплектование пульсатором и коллектором аппарата АДУ -1, и доильным ведром для раздельного выдат вания половин вымени. Сравнительные испытания осуществлялись по обобщенной мете дике П. И. Огородникова - латинского квадрата с половинным выдаиванием вымени. Р< зультаты эксперимента представлены в таблице 6.

Таблица

__ Результаты эксперимента_______

Название доильного аппарата Qcp Жср <ЗЖср tcp qfl-cp

Серийный АДУ-1 (основное исполнение) 4,65 ± 1,709 3,32 ± 0,434 15,6 + 30,72 5,47 ±1,158 0,43 ±0,052

Аппарат с доильными стаканами, имеюпщми гофры 5,16 ± 1,768 3,8 ± 0,464 19,7 ±38,97 5,44 ±1,139 0,22 ±0,013

Аппарат с регулятором вакуума 5,34 ± 1,755 4,11 ± 0,453 21,8 ± 38,28 5,04 ± 1,065 0,15 ± 0,002

где Qcp - средняя величина суточного удоя, л;

Ж - средняя жирность молока без ручного додоя, %;

Q}K ср - средняя величина молочного жира, жироединиц tcp - время доения, мин; цдер - величина ручного додоя, кг;

Испытания показали, что экспериментальные доильные аппараты по всем основнь показателям не уступают двухтактному доильному аппарату (межрежимная разница достоверна).

Доильный аппарат с доильными стаканами имеющий гофрированный сосковый 1 лок выдоил 3,8% жира при достоверной разнице (Р<0,05), аппарат с регулятором вакуу выдоил 4,11% жира при (Р<0,05), а серийный аппарат АДУ-1 - 3,32% жира при (Р<0,0 При этом необходимо учесть, что машинное додаивание не проводилось.

Из результатов испытаний следует, что конструкционные и технологические па] метры доильных аппаратов с регулятором вакуума и стаканами имеющий гофрированн сосковый чулок подобраны правильно. Патологических влияний на животных не обна] жено.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основе проведенного теоретического и экспериментального исследования эжно сделать следующие выводы:

Проведенный анализ современного состояния вопроса и составленная на его основе ' "Классификация задач обеспечения щадящего режима доения", позволили выявить перспективное направление (по полноте охвата обеспечения различных проявлений щадящего режима) в разработке систем, соответствующих характерным особенностям животных

При реализации этого направления решены задачи по созданию доильного аппарата с регулятором вакуума, обеспечивающим определенный перепад вакуума в межстенном пространстве доильного стакана н с возможностью изменения технологических режимов за счет варьирования величины перепада вакуумметрического давления. Кроме того, созданы исполнительные устройства, способные реализовать щадящий режим другими средствами, за счет разработки конструкции доильного стакана, способного плотно охватывать сосок при различных его диаметрах. Определены аналитические зависимости: «прогиб * перепад», «скорость выведения жидкости - прогиб», «наползаяие - прогиб», позволившие расширить матрицу исследования с целью получения полной математической модели, пригодной для разработки эффективной конструкции регулятора вакуума. . На основе факторного анализа разработана математическая модель перепада вакуума в межстенном пространстве доильного стакана на минимальном количестве параметров. Количество их сводится до одного (иаползапия при различных значениях вакуума смыкания), либо до небольшой ограниченной их группы (наползание, натяжение, диаметр соска и скорость выведения жидкости при различных вакуумах смыкания). . Теоретическими и расчетными исследованиями установлены рациональные параметры доильного стакана с гофрированным чулком для стандартной гильзы, имитирующего сосание коровы теленком, а также выявлены некоторые зависимости, необходимые для определения оптимальных параметров стаканов как стандартных, так и нестандартных размеров. . На основе математической модели разработана конструкция регулятора вакуума с возможностью варьирования вакуумного режима (ДЬ=10...30кПа), эффективность которого подтверждена лабораторными и натурными испытаниями. г. Лабораторными испытаниями на специально разработанном стенде подтверждена состоятельность выбранной методики исследования. Разработанный стенд и методика эксперимента позволили сократить временные и материальные затраты на определение основных параметров регулятора.

8. Сравнительные испытания экспериментальных доильных аппаратов I производственных условиях подтвердили эффективность их применения.

9. Фактический экономический эффект от внедрения составил 34 руб. 50 коп. на одн} голову; 2277 руб, иа весь объём внедрения.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

Макаровская 3. В. Одно из направлений совершенствования доильной техники./Тезисы неладов региональной научно - практической конференции молодых ученых и специали-ов. - Оренбург: ОГАУ, 1996, с. 116-117.

Макаровская 3. В., Бунин С. И. К вопросу о разработке доильных аппаратов./Тезисы жладов региональной конференции молодых ученых и специалистов. Часть II - Орен-фг: ОГАУ, 1997, с. 132-133.

Макаровская З.В., Огородников П.И. Некоторые аспекты создания и разработки доиль-эго аппарата с щадящим режимом работы./Тезисы докладов IX Международного симпо-1ума по машинному доению сельскохозяйственных животных. - Оренбург, 1997, с.88-90. Макаровская З.В. Совершенствование исполнительных механизмов доильных аппарате, работающих в щадящем и стимулирующем режиме. /Труды сотрудников и преподава-;лей факультета механизации сельского хозяйства. Том 2, - Оренбург, 1998 - с.71-74. Макаровская З.В., Огородников П.И. К вопросу о повышении эффективности доильных тпаратов/ßозрождетше села - фактор укрепления экономики. Сборник научных трудов -|ренбург, Издательский ценгр ОГАУ, 1998, с.292-295.

. Макаровская З.В., Карташов Л.П., Огородников П.И., Попов A.A., Андреева Н.В. Дольный аппарат. Заявка № 96124292/13(031158) приоритет от 26.12.96. Положительное ешение на выдачу патента на изобретение от 07.05.98.

. Макаровская З.В., Карташов Л.П., Огородников П.И., Попов A.A., Андреева Н.В. Дольный стакан (его варианты). Заявка № 96110557/13(016335) приоритет от 27.05.96. По-ожительное решение на выдачу патента на изобретение от 14.04.98. . Макаровская З.В., Карташов Л.П., Огородников П.И., Попов A.A., Андреева Н.В. Моло омер. Заявка № 96124264/13(031157) приоритет от 26.12.96. Положительное решение н; ыдачу патента на изобретение от 22.06.98.

Макаровская З.В., Карташов Л.П., Огородников П.И., Попов A.A., Андреева Н.В. До тьный стакан. Заявка № 96110556/13(016336) приоритет от 27.05.96. Положительное ре аение на выдачу патента на изобретение от 23.10,97.

У

/

У'М-Г/ЖР-^-

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Оренбургский государственный аграрный университет

правах рукописи

4

МАКАРОВСКАЯ ЗОЯ ВЯЧЕСЛАВОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ДОИЛЬНОГО АППАРАТА С ЩАДЯЩИМ РЕЖИМОМ ДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.20.01. "Механизация сельскохозяйственного

производства"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Заслуженный . деятель науки и техники России, доктор технических наук, профессор Л.П. Карташов

Научный консультант -доктор технических наук, профессор П.И. Огородников

Оренбург-1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение ......................................................................................................5

1. Состояние вопроса цель и задачи исследования..................................10

1.1. Пути совершенствования доильных аппаратов в направлении их автоматизации и работы в щадящем режиме....................................10

1.1.1. Доильные аппараты серийного производства с нерегулируемыми рабочими параметрами........................................13

1.1.2. Доильные аппараты с регулируемыми рабочими параметрами.. 17

1.1.3. Доильные аппараты со стимуляторами молокоотдачи..................27

1.1.4. Доильные аппараты для исследовательских целей........................33

1.2. Выводы из аналитического обзора литературных источников. Обоснование проблемы, цели и задачи исследования.................36

2. Теоретические основы разработки доильного аппарата с щадящим режимом работы......................................................................................40

2.1. Построение прогностической модели на основе системного анализа биотехнической системы.....................................................41

2.1.1. Анализ объекта прогнозирования..........................43

2.1.2. Обоснование выбора метода построения модели..........................45

2.2. Разработка математической модели функционирования биотехни- 48

ческой системы работающей в щадящем режиме...............

2.2.1. Использование основных положения факторного анализа в ис- 48 следовании биотехнического объекта......................

2.2.2. Схема построения математической модели биотехнического

объекта методом факторного анализа...................... 51

2.2.2.1. Построение матрицы исследования. Предварительная обра- 51 ботка результатов исследования.........................

2.2.2.2. Определение корреляционным анализом линейных связей ме- 53 жду параметрами на матрице исследования................

2.2.2.3. Определение методом главных компонент линейных и нелинейных связей между параметрами матрицы исследования интерпретация факторов................................ 55

2.2.2.4. Интерпретация факторов и построение модели ступенчатым регрессионным методом на объединенных по факторам параметрах............................................... 58

2.3. Моделирование объекта прогнозирования факторным анализом. Анализ результатов...................................... 59

2.4. Техническая реализация математической модели объекта прогнозирования на функционирующем оригинале.................. 75

2.4.1. Доильный аппарат с регулятором вакуума.................. 75

2.4.2. Разработка исполнительных механизмов доильных аппаратов.. 77

2.4.2.1. Доильный стакан с сосковым чулком имеющим продольные гофры............................................... 78

2.4.2.2. Обоснование параметров доильного стакана с сосковым чулком имеющим продольные гофры...................... 81

2.4.2.3. .Доильный стакан "выжимающего" способа действия....... 97

2.5 Выводы по второй главе................................. 101

3. Экспериментальные исследования........................... 102

3.1. Методика испытания доильного аппарата с регулятором вакуума

в лабораторных условиях . .................................. 102

3.1.1. Методика измерения величины вакуума................... 106

3.1.2. Испытания доильного аппарата с регулятором вакуума на лабораторном стенде....................................... 109

3.2. Сравнительные испытания доильных аппаратов в производственных условиях............................................ 114

3.2.1. Критерии оценки результатов эксперимента при сравнительных

испытаниях доильных аппаратов.......................... 116

3.3. Испытания экспериментальных доильных аппаратов......... 117

3.4 Выводы по третьей главе. ......................................................121

Общие выводы ............................................................................................122

Библиографический список использованной литературы ......................124

Приложения .7....................................................................141

ВВЕДЕНИЕ

Товарное производство молока - одного из основных продуктов питания - состоит из ряда технологических операций, среди которых наиболее сложным является машинное доение коров. Оно, как одно из центральных элементов процесса, подвергалось изучению с различных позиций, но тем не менее первый Всероссийский симпозиум по проблемам доения сельскохозяйственных животных (1995 год, г. Оренбург) обратил внимание на необходимость продолжения комплексных исследований в данной области с участием физиологов, инженеров, конструкторов, зооинженеров, ветеринарных врачей и других специалистов /89/.

Машинное доение по трудовым затратам занимает 40...65% совокупных затрат на производство единицы продукции /45/, этот показатель с достаточной определенностью указывает на резервы повышения эффективности молочного производства. Организационные, технологические, технические нарушения непосредственно влияют на экономику производства молока и являются факторами, исключение которых достижимо через рациональные управленческие решения. Однако исследователи и практики как на наиболее значительный резерв повышения эффективности указывают на дальнейшее совершенствование автоматизации и механизации машинного доения коров.

Существующие стандартная технология машинного доения и доильная техника разработаны для животных средней продуктивности (3...5 тыс. кг молока в год) /84/. Из этого следуют определенные сложности, связанные с моло-ковыведением и эксплуатацией доильной техники, а также с обеспечением соблюдения технологических норм, максимальной производительности труда и высокого качества продукции без ущерба здоровью животных. Учитывая интенсивную научно-исследовательскую работу по созданию стад коров с повышенной продуктивностью (6...8 тыс.кг молока в год для условий промышленного производства) /89/, следует отметить и необходимость создания новых и совершенствование старых доильных аппаратов, установок с различными режимами доения и технологии этого процесса. Из-за множества задач организаци-

онно-экономического, технического и технологического характера, обусловленных преимущественно экономическим состоянием крупного молочнотоварного производства, низкой квалификацией исполнительного персонала, мы вынуждены признать и актуальность разработки техники, ориентированной на мелкотоварное производство/89/.

О необходимости развития доильной техники в данном направлении свидетельствуют следующие цифры. Если в 1990 году удельный вес коллективных хозяйств в производстве молока составлял 77%, личных подсобных хозяйств 23%, то в 1996 году из 35,7 млн. т. молока 53,3% было получено в общественном секторе, 1,5% - в фермерских и 45,2% - личных подсобных хозяйствах /106/. Эта тенденция сохранялась и в последующие два года.

По данным Госкомстата Российской Федерации по Оренбургской области /108/ поголовье коров в сельхозпредприятиях области за период с 1991 г. по 1996г. снизилось на 1/3, а к началу июня 1997 г. оно составило 233,4 тыс. коров, что на 11% меньше, чем аналогичный показатель по предыдущему году; в частном секторе поголовье коров сохраняется примерно на одном уровне (относительно 1991 г.) и составляет около 195 тыс. коров. По фермерским хозяйствам сокращение поголовья не столь значительное и составляет относительно 1991 г. 15%.

Ситуация в машинном доении осложняется еще и тем, что практически вся серийно выпускаемая техника имеет отклонения от требований и стандартов, предъявляемых к ней с целью сохранения многолетней биологической продуктивности животных. Проблемы, возникающие при эксплуатации доильной техники, ограничивают использование генетически обусловленной продуктивности животного на уровне около 85 процентов, при этом реализация потенциала эксплуатируемой техники не превышает 30...80 процентов /134/. Затраты труда на производство 1 ц. молока в настоящее время по отрасли составляют 7,7...9,7 человека-часа, что на порядок выше, чем на фермах США /126/.

Практика машинного доения свидетельствует так же о том, что современные доильные аппараты недостаточно совершенны в техническом и конструк-

тивном отношениях, они мало приспособлены под характерные биологические особенности животных. Полнота выдаивания, например, по данным из различных источников составляет 88...94% /71, 58/, ткань молочных желез подвергается патологическим действиям /68/, не обеспечивается стимуляция рефлекса молокоотдачи /52, 50/.

Таким образом, исследования и разработка доильной техники щадящего режима действия, аппарата, способного наиболее полно реализовать генетический потенциал животного и позволяющего осуществлять индивидуальный подход, является актуальной задачей.

Состояние проблемы. Развитие машинного доения в настоящее время характеризуется следующими направлениями /129/:

- интенсивным ростом технического уровня доильного оборудования;

- появлением принципиально новых конструкций доильных аппаратов;

- расширением использования автоматизированных элементов в традиционном оборудовании.

Вместе с тем, как показывает практика, с ростом уровня механизации и автоматизации данного процесса, возрастает число случаев заболевания вымени у коров от машинного доения. Поэтому задача приспособления доильной техники к анатомическим и физиологическим особенностям животных - проблема, от эффективного решения которой зависит не только само молоковыве-дение, но и дальнейшая продуктивность животных.

Цель исследования - исследование и разработка доильного аппарата с щадящим режимом действия.

Объект исследования. Процесс машинного доения коров доильным аппаратом с точки зрения эффективного молоковыведения и безопасного доения.

Методика исследования. Аналитическое изучение технологического процесса с применением методов статистического моделирования, классической механики, современных средств вычислительной техники. Математическое моделирование процессов функционирования биотехнической системы методом факторного анализа.

Экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры "механизация животноводства" Оренбургского государственного аграрного университета на экспериментальных установках, а также в производственных условиях на молочно-товарной ферме АОЗТ "Ленинское" Оренбургского района Оренбургской области в 1998 г. Результаты исследований обрабатывались методами математической статистики для подтверждения результатов математического моделирования на компьютере ЮМ PC класса Pentium®-166ММХ.

Практическую ценность представляют:

- конструкция доильного аппарата и доильных стаканов для обеспечения щадящего режима доения; -

- расчет конструкторско - технологических параметров доильного стакана;

- результаты проверки в производственных условиях основных положений диссертации и их эффективности.

Основная часть результатов исследования получена при использовании математического аппарата (факторного анализа), который пока не применялся в данной сфере.

Публикации. Основные положения диссертации были опубликованы в виде 2 статей, 3 тезисов. Новизна работы подтверждена 4 положительными решениями на выдачу патентов на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, общих выводов и предложений, списка использованной литературы (177 наименования). Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков, 17 таблиц, 6 приложений на 102 страницах. На защиту выносятся:

- моделирование на ЭВМ биотехнической системы методом факторного анализа;

- математическая модель объекта механизации с целью обоснования конструкции доильного аппарата и технологических режимов его работы;

- расчет конструкторско - технологических параметров доильного стакана;

- результаты экспериментальных исследований эксплуатационных характеристик доильного аппарата в лабораторных и производственных условиях.

Предлагаемая к защите работа подготовлена в соответствии с целевой комплексной программой научно-исследовательских работ Оренбургского государственного аграрного университета (государственный регистрационный номер 0196109480) и Российской программой НТП05.р.00 раздел 7.1.1 "Совершенствование технологий, рабочих органов и режимов работы оборудования в животноводстве с разработкой мероприятий по повышению эффективности его использования".

Автор выражает искреннюю благодарность и глубокую признательность докторам технических наук профессору Карташову Л. П. и профессору Ого-родникову П. И., оказавшими помощь ценными консультациями, замечаниями и содействием в работе. Автор выражает глубокую признательность талантливому программисту кандидату технических наук, профессору Чепасову В.И. за помощь и содействие в компьютерном обеспечении работы. Автор благодарит такхже доктора технических наук, профессора Щурина К.В., к.т.н., доцента Безмельницына В.Т. и журналиста Калмантаева Б.А. за советы и рекомендации в выполнении отдельных этапов работы.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Пути совершенствования доильных аппаратов в направлении их автоматизации и работы в щадящем режиме

Разработка нового поколения доильных установок требует совершенствования исполнительных механизмов в направлении их автоматизации и улучшения взаимодействия с выменем коровы /77/.

При создании доильного аппарата с максимальным соответствием физиологическим особенностям животных разработчики предлагают различные пути решения данной задачи, но сталкиваются при этом практически с одними и теми же проблемами. Независимо от того, аппаратом какой конструкции и какого принципа действия (по способу извлечения молока или режиму доения) производится процесс молоковыведения, эффективность доения зависит от одних и тех же факторов, а именно от трех основных технических показателей:

- величины вакуумметрического давления в подсосковом пространстве доильных стаканов;

- числа пульсаций;

- соотношения тактов/109/.

Первый из этих показателей является определяющим, поэтому эффективность доильных аппаратов находится в жесткой зависимости от стабильности вакуумного режима.

К настоящему времени нет единого мнения о величине вакуумметрического давления: приверженцы высокого вакуума, основываясь на исследованиях А.А.Скроманиса и А.В.Силиныпа (46...53кПа), и, учитывая, что увеличение вакуума вследствие физических свойств тканей приводит к полному открытию канала соска, отстаивают решения, ведущие к обеспечению высокоскоростного доения. В работах В. Устинова /144/, Н. Еланской и Н. Керимова /88/ в качестве аргумента за развитие этого способа доения, подтверждается факт, что при доведении величины вакуумметрического давления под соском животного до 53кПа скорость доения увеличивается в 1,4 раза, а продолжительность непре-

рывного истечения молока сокращается в 3,1 раза. Определив вакуумметриче-ское давление как параметр, дающий минимальное время доения коров трехтактными аппаратами, П. И. Огородников, ссылаясь на данные Д.Н.Нодерландера, отмечает, что высокий вакуум вреден по двум причинам: при большом перепаде давлений резина может повреждать соски; при перепаде давления на большом диапазоне увеличивается на-ползание доильных стаканов на соски /109/.

Сторонники низковакуумного давления, установив факт, что уровень вакуума почти не влияет на количество не выдоенного молока, отмечая положительное влияние низковакуумных доильных аппаратов на здоровье животного, считают, что процесс молоковыведения следует проводить при величине 33...40 кПа. Этой цифрой оперирует в своих исследованиях и В. Ф. Королев /90/, утверждая, что этой величины достаточно для доения всего стада. По мнению У. Г. Уитлстоуна /143/, если для тугодойных коров величина 33...40кПа является оптимальной, то для слабодойных вакуумметрическое давление можно снизить до 6,7...10кПа. Многие исследователи, среди них Р.Бартман /51/, В.Ф.Королев /109/, В.Кадлец /81/ указывают на необходимость постоянного вакуумного режима доильного аппарата, подчеркивают отрицательное влияние резкого изменения режимов работы на время доения и качество выдаиваемого молока.

Однако в исследованиях последних лет все чаще указывается на необходимость и целесообразность изменения режимов работы доильных машин в зависимости от скорости молокоотдачи, что существенно влияет на чистоту выдаивания и здоровье животного /155, 156, 157/. Попытки полностью автоматизировать процесс молоковыведения, как правило, оказываются малоэффективными из-за сложностей, естественным образом появляющихся при вариантах автоматизации заключительной операции д�