автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Механизация технологических процессов обслуживания молочного стада

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХСШЙСТВА РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

САККТ-1ШЕРБ>'Р1Ш1Й ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ ШБЕГСИТЭТ

На. правах рукотда-.я

СОЛОВЬЕВ Сйш'МИ Алекпчнлр^рт

МЕХАНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБСЛУЖИВАНИЯ МОЛОЧНОГО СТАДА

Специальность 05.20.01 - Механизация

счлъокохоаяйствоиного проиаводствд

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени диктора технических наук

Пушкин, 1992

Работа выполнена в Оренбургском ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственном институте

Научный консультант: заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор, двктор технических наук Л.П.КАРШОВ

Официальные еппененты: доктор технических наук, профессор,

Б.И.ВАГИН;

доктор технических наук,профессор Ю.А.Ц0Й;.

доктор технических наук,профессор А.И.ЗАБРАЖНОВ

Защита диссертации состоится 1993 г.

в,14 ч.ЗО мин. на заседании специализированного совета Д 120.37,04 по защите диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 189620,Санкт-Петербург-Пушкин, Ленинградское шоссе, 2, ауд. 719

I

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета,'

Автореферат разослан -У 1993 г.

Учёный секретарь Л*-

специализированного совета <¡1 СОШШЧ

ОВЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсивное развитие современного го точного животноводства требует решения многих проблем, ос-рорнсР прели которых .ягляется получение максимальной продуктивности от жввотннх согласно их генвтическоют иотенпиэлу. Р связи о этэтл особое внимание в выборе соответствующих т«хяо -логических решений необходимо увдчять степени адекватности их физиологическим особенностям животных при обслуживании.

Другой аспект данной проблемы яяклкпэртся в внсско!» туу. • юрг'костя работа обслуживающего персонала. В частности, в наименьшей степени механизированы производственные процессы и рппЛ»ттт.ро>." отделении, лрофгглпк?ср:ш. Нельзя говорить о завершенности в механизации и автоматизации доения коров.

Наконец, отсутствует "преемственность" /согласование/ в методах подхода к различным возрастным группам.

Поэтому перспективное развитие технических средств для молочного животноводства должно идти по пути их дальнейшей автоматизации и роботизации с учетом воздействия на живой организм. Последнее предопределяет острую потребность в разработке эксп»Т'ТО,ен'гагьных моточик и оборудования для иопнтанкй гохняки на имитаторах, спениачьннх стендах, других приспособлениях , а гагсже в производственных условиях.

Исследованиями известных ученых /Е.И.Алиин, Э.К.Вальяман. КЛД'ярьказнй, Б.'Х1.Королев, З.А.Келпис., Л.П.Кяртчшюр, И,И.Грачев, р'.А.Цой/ сделан значительный вклад в развитие научных конипшшй функционирования биотехнической системы "человек-машинп-животное", Только системное рассмотрение взаимодействия всех звеньев данной систем» в их иерархическом строении обеспечивает новы)! уровень разработки технологического оборудовании /гп'тома'П'зиговашше и роботизированные системы/, отввчя*:-.¡шй ггпбопяпипм эргономики человека оператора, через машину действующего на животное, со своими специфическими особенностями .

Проблем0 разработай технологических основ обслутетваннл

П

различных возрастных групп животных на молочнотоварной ферме посвящена данная работа.

Работа выполнена в соответствии с программой научно-исследовательских работ института: 01.9.10006985 "Разработка технических средств для механизации процессов обслуживания животных и методик их испытаний".

Цель и задачи исследований. Разработать технологические основы обслуживания различных возрастных групп молочного стада с использованием автоматизированного и роботизированного оборудования на базе создания методик его испытаний на адекватность физиологическим особенностям животных.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие аадачи:

1. Определить основные физиологические параметры в производственных условиях, на имитаторах /фантомах/ при отелах и содержании телят в профилактории с использованием устройств для родовспоможения и автоматизированных клеток с оптимизацией ■их технических параметров и предложить рациональные технологические приемы.

2. Обосновать технологические режимы работы доильных аппаратов для коров в родильном отделении и основном стаде с возможной степенью автоматического регулирования технических параметров.

3. Создать необходимые Основы методик испытаний технических средств для доения коров в лабораторных условиях на специальных стендах с имитацией физиологических особенностей коров.

4. Разработать теоретические модели взаимодействия рабочих органов массажников с выменем животных и выявить концепции •применения различных вариантов механических устройств для подготовки нетелей к отелу.

б. Выявить тенденции развития автоматизированного оборудования для доения коров основного стада в условиях группирования их по технологическим признакам, а также дать экономическую оценку предложенных технических решений.

Объект исследования■ Технологические процессы и комплекс

'.■аан я оборудования для обслуживания молочного стада на фермах / комплексах.

Методика-исследований. Аналитическое изучение процессор обслуживания молочного стада, как взаимодействие биологического объекта и исполнительного органа соответствующего агрегата, грлродичи с использованием методов классической механики, го-дрзвлики, теорий упругого деформируемого тела и вероятностей.

Э^сперименталыв:ч исследования проводили в лабораторные усло*мяч нз специчльнь-х стендах с имитацией физиологических особенностей животных, а также в реальных производственных ус-логпл'С :.:0Л0чн010вариь;х *сри и комплексов на основе комплексного ::од<ода к анализу сложных технологий с применением методик планирования экспериментов. Состояния здоровья животик* оценивали с помощью ноеых методик микробиологическими анализами.

Результаты исследований обрабатывали методами математической статистики с применением компьютеров и получением теоретических моделей. -

Научную новизну работы составляют:

- теоретическое (4 физиологическое обоснование способа со-.•^•р'-шюо те::«: г явтгн'чтияироганнкх клетках, а также родовспо-мс^ен^е при отелах;

' аналитические :-пдели взаимодействия доильного аппарата с мпссатникчми с емменем коровы, автоматического регулирования вакуума при дсеник;

- уотодяки ускоренны* испытаний доильного оборудования на имкт-гиюнчкх стендах в лабораторных условиях;

- использование новых тестсз в испытаниях техники для обслуживания животных в производственных условиях на основе шя-робкслпгичьскку анализов крови и могскб, а так^е предложений"* контролонс-илмерительнык уетройсть;

- алгоритм реализации и сами модели обработки вымени различными массажными элементами;

5

- методические рекомендации по подготовке нетелей, обслуживании коров в родильном отделении и комплектованию технологических групп;

~ метода повышения санитарного качества молока и диагностики состояния доильного оборудования.

Практическая ценность. Разработанные методики расчета оборудования для обслуживания животных молочного стада создают основы для научно-обоснованных предпосылок интенсификации работ на молочнотоварных фермах с безопасными для состояния здоровья животных приемами.

Предложенные методы испытаний нового оборудования позволяют в короткие сроки оценить эффективность технических решений без нанесения ущерба животным.

Апробация. Основные положения работы доложены, обсуждены и одобрены в 1978...1992 годах: на научно-техническом совете госагропрома РСФСР./Москва, 1989г./, семинаре Госагропрома СССР и ВИЭСХ /Москва, 1989г./, международном симпозиуме по машинному доению и обработке молока /Чехо-Словакия, Брно,1989/, Всесоюзных симпозиумах по машинному доению сельскохозяйственных животных /Таллинн, 1983г., Ленинград, 1988г./, Всесоюзной конференции "Робототехнические системы,|/Челябинск, 1983г./, Всесоюзной конференции по применению робототехнических средств в АПК /Москва, 1988г./, Всесоюзной конференции по методам и техническим средствам, примейяемым при испытаниях с.х.техники /Минск, 1988г./, Всесоюзных научно-технических конференциях /Москва, 1981г., Сумы, 1989г./, республиканской конференции /Глеваха, 1989г./, конференциях ЛСХИ /1989,1990 гг./, конференциях ОСХИ /1978... 1992г./.

Образцы разработанных устройств и испытательной техники экспонировались на выставках ВДНХ, где были отмечены одной серебряной, тремя бронзовыми медалями, дипломом участника и свидетельствами участника Всесоюных выставок испытательной техники /Фрунзе,1981г., Минск,1988г./, областных выставках.

Реализация результатов исследований. Материалы исследований включены в "Методические рекомендации по доению коров в родильном отделении" ВАСХНИЛ /1989г./, рекомендации Гсюагро-нрома РСФСР "Технология формирования групп сухостойных и дойных коров. Организация их кормления и машинного доения"/1389гЛ зоотехнические требования на установку для преддоилъной обработки янмени коров на доильных установках со станками /1902г./,

Предложенная методика и стенд .для испытаний доилышх аппаратов рекомендованы ВНШМОЖ для аттестации и использовании при испытаниях доильных аппаратов,

Методики V оборудование для оценки санитарного состояния вымени, а также для нанесения покрытий на молокопровод доильной установки, используются в БелНИИЖ.

Освоен серийный выпуск доильных аппаратов /10 тысяч за 1991г., 10 тысяч программа на 1992 г./.

Принципиальные по новизне технические решения внедрены в производство с положительным эффектом.

На защиту выносятся:

- основы системного подхода к механизации и роботизшгаи производственных процессов в молочном животноводстве;

- технологические основы родовспоможения и использования автоматизированных клеток для содержания телят;

- теоретические'модели взаимодействия исполнительных органов доилышх аппаратов и массажников с молочной железой коров;

- методики лабораторных испытаний доильного оборудования . на специальных стендах с имитацией физиологических особенностей процесса молокоотдачя;

- методы и приборы для оценки эффективности предложенных технических решений в производственных условиях по реакции живого организма на внешние раздражения с определением ряда физиологических показателей;

- теоретические основы обработки вымени подготовительными устройствами с методами оценки их эффективности в лабораторных

и производственных условиях;

- результаты эргономических исследований труда обслуживающего персонала при доении коров;

- комплекс научно-технических разработок для механизации производственных процессов на молочнотоварной ферме.

Стерень обоснованности результатов и основных положений работы подтверждена теоретическими исследованиями взаимодействия исполнительных органов доильного оборудования с молочной железой коровы, результатами лабораторных испытаний на специальных имитационных стендах и производственных экспериментов, практической апробацией предложенных конструкций и испытательного оборудования.

5 проведенных исследованиях диссертанту принадлежит основная идея работы, разработка теоретических предпосылок создания, оборудования для непосредственного обслуживания животных, новые подходы к испытаниям техники на адекватность физиологическим, особенностям организма, трактовка полученных экспериментальных дайных и аналитических выводов, а также разработка технологических приемов при использовании предложенных механизированных и автоматизированных систем.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 56 печатных изданиях в виде методических рекомендаций, брошюр И' статей автора, включая 27 авторских свидетельств на изобретения, •

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, общих выводов и предложений, а также приложений и изложена на 311 страницах, включая таблиц, рисунков 78 , библиографии из 273 наименований /32 на иностранных языках/,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Дано краткое состояние проблемы механизации и автоматизации технологических процессов на молочнотоварных фермах, ;сформулирована цель исследования, изложены основные положения, которые выносятся на защиту,

8

Состояние проблемы, цель и задачи исследований

Современное молочное животноводство представляет собой

достаточно сложно организованную по структуре отрасль. Живот-шю на протяжении всей жизни на комплексе проходят ряд этапов, каждый из которых требует специального подхода, как в обслуживании, так и применении соответствующего оборудования. При этом внедрение любой механизированной технологии должно отвечать требованиям физиологии животных и облегчать труд работников.

Значительный вклад в развитие научных концепций функционирования биотехнической системы "человек-машина-животное" внесли такие ученые как Е.И.Админ, Э.К.Валь'дман, Ф.Л.Гарька-вый, В.Ф.Королев, Э.А.Келпис, Л.П.Картагаов, И.И.Грачев,Ю.А.Цой и другие. Нам представляется наиболее важным вычленить из об- ' щей структуры производства те составляющие элементы, которые непосредственно влияют на повышение продуктивности животных, их здоровье, а также являются ключевыми в обеспечении средствами механизации и автоматизации /рис.1/.

Анализ всех аспектов интенсификации ведения отрасли молочного животноводства показал, что выполненные исследования не создают полного научного обоснования .для комплексного решения проблемы совершенствования технологий обслуживания животных. Отсюда следует необходимость разработать технологические основы обслуживания различных возрастных групп молочного стада с использованием автоматизированного и роботизированного оборудования на базе создания методик его испытаний на адекватность физиологическим особенностям животных.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Определить основные физиологические параметры в производственна условиях, на имитаторах /фантомах/ при отелах и содержании телят в профилакториях с использованием устройств для родовспоможения к автоматизированных клеток с оптимизацией

о

Рис. J. Структурная схема исследований 10

их технических-параметров и предложить рациональные технологические приемы.

2. Обосновать технологические режимы работы доильных аппаратов для коров в родильном отдалении и основном стаде с возможной степенью автоматического регулирования технических параметров.

3. Создать необходимые основы методик испытаний технических средств для доения коров в лабораторных условиях на сге-пиальных стендах с имитацией физиологических особенностей коров.

4. Разработать теоретические модели взаимодействия рабо- • чих органов массаяников с выменем животных и выявить концепции применения различных вариантов механических устройств для подготовки нетелей к отелу.

[>. Выявить тенденции развития автоматизированного оборудования для доения коров основного стада в условиях группирования их по технологическим признакам, а также дать экономическую оценку предложенным техническим решениям.

Механизированная технология работ при отелах коров и содержании телят

Для сохранения маточного поголовья и получения жизнеспособного молодняка крупного рогатого скота важное значение име-"Т организация отела и дальнейшее содержание телят в клетках с созданием высоких санитарно-гигиенических условий.

Анализ производственных наблюдений и лабораторные эксперименты на разработанном акушерском фантоме показали необходимость использования при родовспоможении технических устройств для выполнения ряда технологических операций. В частности, с применением силового оборудования, установленного на передвижной тележке, обеспечивается требуемое усилие и его направленность при приеме плода. Для эффективного обслуживания коров опреде-' ленн физиологически обоснованные параметры устройства, а также рациональные технологические приемы родовспоможения с картой организации труда олератора-акущера.

11

Здоровье -полученного после отела теленка во многом зависит от способа содержания в профилакторный период. В связи с этим предложена технология содержания в автоматизированных клетках с подвижным полом в виде транспортера, очистным приспособлением со скребком, системой создания в пространстве клетки специальной микробиологической среды.

Проведенные эксперименты по определению распределения загрязнения клеток показали, что при разбивке площади пола на шесть зон в узкогабаритных клетках 94% скапливается в 4,5 и 6 зовах, в, клетках шириной 0,5, ..0,6м в этих же зонах - 34... ...88$. Предпочтительнее использовать с точки зрения гигиеничности узкогабаритные клетки о подвижным полом /рис.2/.

Одним из основных вопросов эффективности эксплуатации .данного оборудования является энергоемкость процесса работы кле.тки, В частности, мощность привода ленточного транспортера определяется следующим образом:

^ = к 1Г(^К + Ктрг+М Р^/юЧ^Л/

где К - коэффициент запаса; 1$ - скорость движения ленты подвижного пола; - конструктивное сопротивление, учитывающее вид груза; Р - сила давления скребка на ленту; об -угол наклона скребка; уИ - коэффициент сцепления выжимного валика с полотном; Р - сила давления выжимного валика; к2 -

А

- коэффициент трения скребка по полотну; - к.п.д. приводного барабана; - к.п.д.передачи.

Энергетические показатели движущегося пола в наибольшей степени зависят от следующих показателей: скорости движения .полотна; силы давления скребка;, силы давления выжимного валика.

Затраты энергии увеличивают применение ламповых батарей для сушки и дезинфекции пола. Преимущества предложенного способа содержания проявляются в высокой степени сохранности телят, которая обеспечивается автоматическим режимом работы по разработанной циклограмме, гигиеничностью, созданием специальной микробиологической среды»

12

Рис. 2. Распределение загрязнений по длине пола в клетке: 1 - существующая индивидуальная клетка; 2 - индивидуальный бокс;-

3 - автоматизированная клетка. 13

Лабораторными и производственными исследованиями установлены оптимальные рабочие параметры клетки. Так, предельно допустимой скоростью .движения ленты подвижного пола по частоте пульса теленка является 0,7м/с. В диапазоне изменения скорости движения ленты от 0,1 до 0,6 м/с частота пульса изменяется от 70 до 140 мин-1.

Для физиологической оценки- эффективности способа содержания были предложены наиболее объективные показатели активности -лизина и лизоцима в крови теленка. Изменение данных показателей в зависимости от способа содержания представлено в виде графических зависимостей на рис.3.

Наибольший прирост массы был получен при содержании телят в автоматизированных клетках с микробиологической защитой -- 654 г/сутки.

Механизация доения коров в родильном отделении

Эффективность доения коров во многом зависит от выбора соответствующего типа доильного аппарата. Наиболее оптимальный вариант аппарата обеспечит адекватность воздействия на животных согласно их физиологических особенностей.

Одним из перспективных направлений разработок является создание конструкций с автоматическим регулированием рабочих параметров в зависимости от интенсивности молокоотдачи■и массажем сосков в процессе доения. Такие конструкции обеспечивают "щадящий" режим работы, что соответствует требованиям по доению коров в родильном отделении.

На рисунке 4 представлена схема автоматического регулирования вакуума. Данная схема является многоконтурной, поскольку она содержит .помимо главной обратной связи местную обратную связь. Управляющая величина в схеме - интенсивность молокоотдачи . Управляемая - вакуум Р в подсосковом прост-.ранстве доильного стакана. Звено, охваченное главной обратной связью, можно описать таким образом:

Рис. 3. Активность у* -лизина /а/ и лизошша /б/ в

крови геля? при содержании: 1 - в боксах на привязи; 2 - в автоматизированных клетках без т.тробней защиты; 3 - в автоматизированных клетках с микробной защитой.

с/>лк,

мм

I

С(с -- КР)

-I.....

Я>тн, кЛа

% '-1(Р. ¿с)

]_С

*г. ми*

нм --Нам, Осо)

См * /Ш

{с!ю (сопгИ, <чм

Рис. 4. Структурная схема - модель автоматического регулятора вакуума

16

Г Г,г. с'о,- диаметр сфинктера соска; - скорость прохождения через сфинктер молока; "Ь^ - время от начала доения.

Максимальный уровень молока в накопительной каморе рогуля

тора :

Нм" 4 С?м /(д^м аг^) , /з/

где Gм - вес молока в накопительной камере; - илогнопт». молока; сУк - внутренний диайетр накопительной камеры.

Расчетная формула для основного конструктивного параметра регулятора - диаметра сливного отверстия:

си- м

гд° уИ - коэффициент расхода жидкости.

Для доения коров в родильном отделении нами разработан до-, ильный аппарат с массажниками на стаканах. Использование мас-сачников позволяет кроме стимулируотего воздействия на соски вымени более полно выдаивать коров. При этом теоретическими исследованиями установлена возможность снижения массы подвесной части доильного аппарата.

Самое серьезное внимание при оценке любой конструкции доильного аппарата уделяется испытаниям на адекватность физиологического воздействия. На наш взгляд составными частями таких испытаний должны быть лабораторные исследования на имитационных стендах и производственные на коровах с определэнием прямых и косвенных признаков. В качестве основного проверочного критерия оценки доильного аппарата на стенде было принято соответствие задаваемой характеристики молокоотдачи /имитируется в процессе работы стенда/ коровы с показателями молоковыведенкя испытуемого доильного аппарата. В производственных условиях выявлены наиболее характерные кривые молокоотдачн у коров с различным уровней продуктивности. С помощью ЭВМ /рис. 5/

17

Рис. 5. Алгоритм математической модели изменения интенсивности молокоотдачи (б? ) от времени доения ( t ).

Рис.5» Структурная схвиа стенда'для испытаний доильных аппаратов

были выведены математические модели для трех основных /в на-* тем случае'' технологических групп:

+4,гггт- З/ГЗ-е-О.бЗТ*

где С?^ ^ с?., _ интенсивность молокоотдачи соответствующей группы коров; Т - время доения.

Для проведения испытаний на стенде разработан алгоритм ц программа. Структурная.схема стенда приведена на рисунке 6. Лабораторными исследованиями доильных аппаратов установлено, что. максимальная отсасывающая способность наблюдается при ве-.личине вакуума 45...49 кПа, снижение величины вакуума в начале и конце доения не оказывает существенное влияние на форму кривой интенсивности молоковыведения. Существенное значение для повышения интенсивности молоковыведения имеет величина внутривыменного давления. Сравнительные характеристики доения различными конструкциям* аппаратов представлены на рисунке 7.

Еа основе анализа динамики молокоотдачи коров в молочном стаде предложен метод комплектования по технологическим группам. Осуществление такого мероприятия с использованием в комплексе контрольного оборудования /потокомеры, датчики интенсивности, сигнализаторы окончания доения/ позволяет сократить время доения труппы коров, улучшает ритмичность дойки.

Существенно расширяют представление об эффективности конструкций доильных аппаратов методики и оборудование для определения степени наползания доильных.стаканов на соски и равномерности выдаивания четвертей вымени коровы. В ходе испытаний нашло подтверждение теоретическое положение о том, что доильные стаканы с массажными элементами в меньшей мере наползают на сооки - тем самым возможно более полное выдаивание коров.

Механизация технологических приемов подготовки нетелей

р отелу

Основным фактором,' влияющим на целесообразность использо-20

интенсивности МОЛОКОРЧВЗДСНИЧ от времени доения различными дОилънь'ми аппара-■кг/и: 1 - со1 иНенй чоплынп! анп-чрчт ЛА-'Д!;

- '1С,(мл* шш^-ат ДЛ-;;м с мнсоа*н1г-:.\!ми; 3 - доильный аппарат с регулятором вакуума и массажниками; 4 « доильный аппарат "Волга" с массажниками.

Я1

вания технологического оборудования для массажа, является характер взаимодействия исполнительного органа массажника с выменем.

С рядом допущений модель взаимодействия ыассаяника с выменем может быть рассмотрена с точки зрения "контактной задачи" теории упругости тела.

Из рисунка 8 видно, что в точках области соприкосновения имеет место равенство, которое обозначив значения главного тензора кривизны через А и В, запишется в виде:

АХ1* 4 К /6/

Смещения и могут быть найдены по формулам:

- /7/

где 6" , 0" , Е , £ - коэффициент Пуасона и модуль растяжения обоих тел - характеристики сдавливаемых тел; 'с -радиус - расстояние от центра кривизны до точек, которые деформируются; - давление между обоими сдавливаемыми телами в точках их соприкосновения.

Заключив, что область соприкосновения тел ограничена эллипсов вида:

Р* Ь* * /8/

Обозначив

' /9/

После преобразований деформация /К /и главные компоненты тензора /А и В/ определятся:

• 22

а/

б/

Рис. 8. Схема контакта /а/ и деформации /б/ дг.ух твердых упругих тел

„им ¿6

Г л рт^Г ^ р. ¿е

Как следствие полученного решения рассмотрены частные случаи возможных вариантов поверхностей исполнительного органа массажников.

Целесообразность выбора массажника, обеспечивающего имитацию воздействия на вымя теленка была подтверждена в ходе лабораторных и производственных исследований. Массаж эластичными упругими элементами дна вымени и оснований сосков позволяет осуществить модель деформации близкую к теоретической. Лабораторные исследования проводили на специальных стендах для опенки упругих деформаций, наносимых массажниками при изменяемых рабочих параметрах. Равномерность распределения нагрузки внутри вымени /У/, как результат многофакторного эксперимента, выражена уравнением 12:

= + О.ЭЗХ,-0,41x^-2.5^С X, + + 2,? - о,О О 5"3 О,О 21 X з1 + 5~,22-Х I 1

- О,оэ&ч XiXi-0.42.i3 -+ О.бдз х«.х,+ + ¿,3 <ЭЯЧХгХн ,

где Х^ - радиус основания деформатора; - расстояние от оси деформатора до точки соприкосновения упругого элемента с выме-

24

X - количество параллельно расположенных упругих элементов; Х4 - усилие на привод деформатора.

Физиологическое действие предложенных конструкций массаж-никоь определили по показателям активности £ -лизина и лизо-гги»«я в крови, величина которых показала эффективность подобной подготовки нетелей.

Отсутствие герметичности в гофрированных стаканах / в ■ случае непопадания сосков/ приводит к снижению величины ваку-Vмм не более чем на 1,83 кПа.

Эргономическое обоснование механизации и роботизации производственных процессов в молочном животноводстве

В молочном животноводстве большая часть труда обслуживающего персонала приходится на процесс машинного доения коров.

С помощью методики Холдена-Дутласа определено уравнение регрессии, характеризующее энергозатраты /Х^/ оператора машинного доения в зависимости от обхвата вымени * ПР'кладывае-1..ого усилия при массаже вымени /Х-У и расстояния от вымени до земли /Хд/:

к., = о.ооаэ^х^о.олпхл+о^гг^э^з/

Существенное влияние на тяжесть труда оператора оказывает оснащенность рабочего'места средствами механизации, прежде всего, подготовительных операций. Только применение автоматических устройств позволяет снизить категорию тяжести труда до II.

Для качественного обслуживания коров всей закрепленной группы оператору следует делать технологические перерывы на отдых после 40-й минуты доения /дойки/, за который восстанавливается работоспособность.

Большой интерес представляет определение посредством пр-гономическчх исследований параметров воздействия наносимых руками при проведении операций машинного доения. Наиболее точны« и достоверные измерения данных параметров позволяют осуществить биомеханические методы,

Методом фоторегистрации установлены максимальные перемещения биозвеньев оператора. В частности перемещения кисти значительно превышают допустимые пределы /соответственно 687... 1450 мм и 200...250 мм/. Методом циклограмм получены графики применения скорости движения суставов, и после дифференцирования, графики изменения ускорений суставов оператора/рис. 9/.

С помощью разработанного оборудования определены величины энергии, передаваемой вымени при массаже /мужчинами - 240,28Дж. женщинами - 231,04 Дж/.

Основываясь на полученных данных, как на исходной информации, возможно проектировать основные элементы механизированных и роботизированных систем контактирующих с животными при обслуживании.

Механизация и роботизация процесса доения коров ,

Качество и количество получаемого от коровы молока во многом зависит от выполнения преддоильных операций. Механические подготовительные устройства должны удовлетворять ряду требований:

1. Проведение качественного подмывания.

2. Стимуляция рефлекса молокоотдачи за счет массажа вымени.

3. Минимальный расход воды.

4. Минимальные затраты ручного труда.

В соответствии со сформулированными требованиями, при подмывании вымени механическим устройством ударом струи с вымени удаляется грязь и деформируется вымя.

Полная энергия капли при ударе запишется:

Ав = Ас+Аг+/^+А* , /м/

где Ас. - энергия кашга после удара; Аг - энергия, которую приобрела уносимая частица грязи; А^ - энергия, идущая на деформацию частицы грязи; А'^ - энергия, идущая на деформацию вименк.

Если учесть, что частица грязи уносится с каплей воды, то

26

А / \

4 / \ 2 г ^ V

■чУ

03 ■» М у*""1 1 ¿г 1

----------- ----------

-------- ---------- ------------- д/

б/

Рис. 9. Изменение скорости /а/ и ускорений /б/ кисти /1/ и локта /2/ оператора при массаже вымени

есть

/15/

где АУЛ - суммарная масса частиш грязи и воды; 15" - скорость капли после удара.

Энергия деформации вымени определится:

«"' I _ 10Г / ^ , ,

Д5^дт1ГгЗо^ дт1}Г V ? Дб/

где "Л - начальная скорость падения капли; т - масса капли д т - масса частицы смытой грязи, ,

После преобразования, обозначив К

можно перейти к понятию к.п.д. процесса подмывания, понимая его как выделение той части энергии, которая идет на деформацию /массаж/ вымени:

К

^МАССАША - --/17/

Лабораторными экспериментами установлено, что подмывающее устройство с параметрами исполнительного механизма: кольцо диаметром 30 мм, количество разбрызгивателей - 20...24 приближается по эффективности массажа к ручной обработке вымени. Зависимость энергии струи от давления в разбрызгивателе приведена на рисунке 10.

Для оценки качества подмывания предложена методика и оборудование, включая забор загрязнений с сосков вымени и дальнейший визуальный или тонкий ашлиз. Забор загрязнений с сосков проводится с помощью специального устройства, визуальный анализ

- сравнением загрязненного фильтра с эталонными, тонкий анализ

- определением светопроницаемости смывной жидкости.

Механические частицы и микрофлора с вымени являются не единственным источником общего загрязнения молока. В значительной мере качество молока снижается из-за наличия загрязнений на внутренней поверхности молокопровода.

Разработана методика калориметрической неразборной оценки

Ал*

гм-йр ад«'

1?0 юг

ад й'

М1С7

г 1

2 1

/ /

/

/

/

V 0.2 0.3 ОЛ 0,5 V) 1)

Рис. 10. Зависимость энергии струи от давления в

разбрызгивателе: 1 - стандартный разбрызгиватель; 2 - предлагаемое подмывающее

устройство

оо

санитарного состояния трубопроводов доильной установки, а также метод нанесения на них кремнийорганических покрытий.

Одним из наиболее сложных вопросов является роботизация процесса доения и в частности создание захватных устройств. В связи с этим рассмотрены теоретические аспекты взаимодействия механических устройств с сосками и выменем при осуществлении технологических приемов постановки доильных стаканов. Полученные результаты тесно увязаны с физиологическими параметрами объекта. Применение специального оборудования позволило выявить ряд закономерностей упругого состояния соска.

Предложенные захватные устройства были испытаны на стендах, 'что показало возможность использования их в комплекте с манипуляторами промышленных моделей. Методика испытаний на стендах существующих доильных манипуляторов обеспечивает выбор их конструктивных и эксплуатационных параметров, безопасных для здоровья животных при обслуживании.

Системные задачи в исследованиях проблем механизации и роботизации

В качестве одной из задач рассмотрена организация системы производства продукции на ферме как совокупность определенных подсистем: подсистема потоков животных й продукции; подсистема контроля качества продукции; подсистема управления, информации и идентификации; вспомогательная подсистема.

Гибкость производственной системы обеспечивается наличием определенных элементов и связей между этими элементами." В .качестве основных составляющих элементов приняты следующие: животное ~ Е, робот -Р, средства контроля - К, средства управления - У, оонаотка оборудования робота - О, технологическое оборудование для обеспечения жизнедеятельности животных - П, вспомогательное Оборудование - В, входные и выходные транспортные связи комплекса - Т.

Характер внутренних связей между, основными составляющими производственного процесса робототехнической системы представлен на рисунке 11.

В течение технологического процесса образуются семейства совместных связей элементов с определенной иерархией управления,

Создание моделей'оборудования, удовлетворяющих физиологическим требованиям живого организма позволяет внести детерминированность процессов в животноводстве.

Проанализировав классификационные характеристики робото-технических комплексов, определены принципы их отбора для ,применения на молочнотоварных фермах.

Технико-экономическая оценка эффективности механизации

технологических процессов обслуживания молочного стала

В данной главе изложены материалы по внедрению и оценке экономической эффективности проведенных исследований, краткая аннотация которых приведена на страницах 6 и 7 автореферата.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. В работе проведено теоретическое обобщение фактического материала по литературным источникам,' а также передового опыта, анализ которого показал, что одной из актуальных проблем молочного животноводства является отсутствие хорошо организованной технологической цепочки обслуживания животных разных возрастных групп с механизацией и автоматизацией производственных процессов.

Составленные классификации технологического оборудования выявили пути совершенствования технических средств - в создании "комфортных" условий содержания, физиологически обоснованных режимах работы предлагаемых конструкций, использовании автоматизированных к роботизированных систем с элементами адаптивного управления.

2. Сохранность телят при родах и благоприятные условия их содержания могут быть достигнуты применением технологического оборудования, включающего устройства для родовспоможения и индивидуальные автоматизированные клетки. Устройство для родовспоможения обеспечивает уоилие вытягивания до 3000 Н в задан-

.и;;/* направлении и мягкий прием плода.

Клетка работает в режиме - моцион-очистка-огдых. При этом ь ее пространстве создается специальная микробиологическая среда. Чистота клетки поддерживается наличием подвижного пола /скорость движения - 0,5-0,6 м/с /, с очистным устройством /угол на/лона скребка - 90°, усилие прижатия валика устройства ~ - '700 Н/. Сушка и обеззараживание проводится тепловым потоком /730 кДж/ и бактерицидным облучением / 50 мкб-мин/м^ /.

Оценка влияния предложенного'способа содержания по сравнению с существующими проведена по объективным показателям физиологического состояния организма теленка - активности -£ -лизина и лизоцима в крови подтвердила его преимущество,

3. Теоретическими и экспериментальными исследованиями определено, что для доения коров в родильном отделении, а в дальнейшем - в основном стаде целесообразно применять конструкции доильных аппаратов со стимулирующим эффектом и автоматическим регулированием вакуумного режима.

Отимулируюший эффект и более полнее выдаивание достигается при использовании аппаратов с массажем сосков, что позволяет, согласно полученной теоретической модели, снизить массу лодг-ссиой части при сохранении надежной ого работы без спаданий стаканов.

Оптимизация параметров вакуумного регулятора на основе положений теории автоматического регулирования подтвердила возможность изменения величины вакуума при различной интенсивности молскостдачи,

4. Предложена методика и оборудование для испытаний доильных аппаратов на основе сравнительного анализа получаемых кривых динамики молоковыведения с аналитическими выражениями характеристических кривых динамики молоковыведения основных грУ1Ш молочного стада.

Разработанный комплекс: испытательных стендов в лабораторных уотовиях обеспечивает кмиташш различных кривых динамики

молоковыведения, изменение внутривыменного давления от 1,6 до 6,5 кПа, тонуса сфинктера соска от 0 до 15 кПа, что соответствует реальному процессу доения, а предложенная методика испытаний с их применением позволяет получать достоверные и сопоставимые результаты.

5. Разработана методика комплектования по индивидуальным признакам молокоотдачи и тугодойности коров в группы, а также расстановки их подгруппами - по мере увеличения тугодойности, которые стабилизируют ритмичность процесса доения на линейных доильных установках. Среднее'время доения одной коровы сокращается с 7,1 минут /существующая технология/ до 6,1 минуты /предлагаемая технология/. Наибольший эффект достигнут при использовании сигнализаторов окончания доения - среднее время доения одной коровы - 4,5 минут.

6. В результате рассмотрения взаимодействия /сжатия/ объектов: "вымя - исполнительный орган массажника" - получены аналитические зависимости, которые определяют величины деформации, оказываемые различными видами массажных элементов.

■ Лабораторные на специальном стенде и производственные исследования показали существенные преимущества предложенных мас-сажников в виде эластичных упругих элементов , при работе имитирующих толчок теленка и гофрированных стаканов. Их применение не требует значительного повышения производительности вакуумных установок. Даже отсутствие герметичности в гофрированных стаканах /в случае непопадания сосков/ приводит к снижению величины вакуума не более чем на 1,83 кПа.

7. Эргономическая оценка процесса машинного доения коров основного стада определила необходимость механизации и автоматизации подготовительных операций. Труд оператора относится к Ш-й категории при ручной обработке вымени и с применением ручного разбрызгивателя, после 40-й минуты дойки требуется отдых для.восстановления работоспособности,

С помощью биомеханических методов и специального оборудования найдоны пределы изменения полезной энергии /непосредствен-

но передаваемой вымени при обработке/ для мужчин и женщин -соответственно 240,28 и 231,04 Дж. Ориентируясь на эти значения следует сравнивать механические устройства с ручной обработкой.

8. Незначительно уступает ручной обработке вымени струйный массаж из разбрызгивателя подготовительного устройства. Исходя из теоретической модели обраб<этки вымени определены зоны действия напряжений в вымени, а также факторы, оказывающие наибольшее влияние на ее эффективность.

Для оценки санитарно-гигиенического состояния молочной железы после обработки целесообразно использовать экспресс-метод, заключающийся в смыве загрязнений с соска посредством предлагаемого устройства в виде разборного стакана о разбрызгивателем, фильтром и сборником моющей жидкости. Грубая и тонкая оценка чистоты соска позволяет с высокой долей достоверности прогнозировать качество надоенного молока.

Качество молока может быть значительно улучшено путем контроля чистоты молоко- и вакуумпроводов с помощью безразборного калориметрического метода, обоснованного теоретическими и экспериментальными исследованиями. Кроме тсго, существенный эффект может быть достигнут путем нанесения внутренних кремнийор-ганических покрытий на молокопроводы доильных установок,

9. На основе системного подхода проанализированы возможно-оти роботизации процессов в животноводстве. Рассмотрели подсистемы РТК с их внутренними связями и элементами. Непременным условием функционирования робототехнической системы на ферме является ее непрерывное совершенствование в целом и в отдельных элементах. Этим самым достигается гибкость системы, которая в свою очередь определяется наличием элементов с их связями, позволяющими адаптироваться всему производственному комплексу к изменению условий производства.

10. Результаты исследований послужили научной и практиче-» ской базой для обоснования технологических решений и технических средств для механизации процессов обслуживания молочного стала. Предложенные варианты являются оригинальными, что подтверждено 27 авторскими свидетельствами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В - СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Ii A.c. 808072 /СССР/. Устройство для санитарной обработки вымени /соавторы Карташов Л.П., Холодилин А.Б./ - Опубл. в Б,И., 1981, № 8.

2. A.c. 893192 /СССР/. Прибор для определения упругости сосков /соавторы Курочкин A.A., Аверкиев A.A./ - Опубл. в Б.И., 1981, № 8.

3. A.c. 906461 /СССР/. Молокоприемное устройство для доильных аппаратов /соавторы Курочкин A.A., Нефедов В.И., Антонова B.C./ - Опубл. в Б.И., 1982, № 7.

4. A.c. 940710 /СССР/. Сосок искусственного вымени / соавторы Курочкин A.A., Аверкиев A.A./ т Опубл. в Б.И., 1982, № 25,

5. A.c. 974979 /СССР/. Устройство для подмывания и массажа вымени /соавтор Курочкин A.A./ - Опубл. в Б.И., 1982, № 43.

6. A.c. 1042697 /СССР/. Устройство для обработки вымени / соавтор Карташов Л.П./ - Опубл. в Б.И., 1983, № 35.

7. A.c. 1099907 /СССР/. Устройство для отбора проб молока для анализа /соавторы Аверкиев A.A., Бунин И.А., Пахомов В.А./

- Опубл. в Б.И., 1984, № 24.

8. A.c. 1162029 /СССР/. Устройство для обработки вымени /соавторы Келпиб Э.А., Вожжов А.Б./ - Опубл. в Б.И., 1985, № 22.

9. A.c. 1210749 /СССР/. Устройство для санитарной обработки вымени /соавтор Сусликов В.И./ - Опубл. в Б.И., 1986, № 6.

lÖ.A.c. 1338818 /СССР/. Потокомер для доильных аппаратов /соавтор Аксенов В.А./ - Опубл. в Б.И., 1987, № 35.

H.A.с. 1412673 /СССР/. Приспособление для сбора первых струек молока и отбора проб молока /соавтор Аксенов A.B./ - Опубл. в Б.И., 1988, Ä 28.

12.A.C. 1428318 /СССР/. Устройство для отбора проб молока на анализ / ооавторы Аверкиев A.A., Бунин И.А., Курочкин A.A./

- Опубл. в Б.И., 1988, # 37.

13.А.С. 1442140 /СССР/, Тренажер для обучения машинному доению /соавторы Карташов Л.П., Поздняков В.Д., Корнилова Т.Н./ -

Опубл. в Б.И-., 1988, № 45.

14.А.с. 1419621 /СССР/. Регулятор вакуума /соавторы Асманкин

K.M., Аксенов A.B., Огородников П.И./ ~ Опубл. в Б.И.,1988, № 32.

15.А.с. 1375198 /СССР/. Стенд для испытания доильных аппаратов /соавторы Аксенов A.B., Огородников П.И., КурочкшгA.A./ -Опубл. в-Б.И., 1988, № 7.

16.A.c. 1367926 /СССР/. Устройство для доения /соавторы Огородников П.И., Курочкин A.A. и др./ - Опубл. в Б.И.,1988,№3.

17.А.С. 1505483 /СССР/. Доильный стакан /соавторы Карташов Л.П., Аксенов A.B., Огородников П.И./ - Опубл. в Б.И., 1988, №33.

18. А.с. 1509006 /СССР/. Устройство для санитарной обработки вымени коров /соавтор Баловнева Е.Г./ - Опубл. в Б.И. ,1989,

35.

19.A.c. 1523140 /СССР/. Стенд для испытаний доильных аппаратов /соавтор Асманкин Е.М./ - Опубл.в Б.И., 1989, № 3'/.

20.А.с. 1510789 /СССР/. Стенд для надевания доильных стаканов на соски вымени /соавторы Огородников П.И., Коровин Ю.И., Зайковский И.О./ - Опубл. в Б.И., 1989, й 36.

21.А.с. 1544301 /СССР/. Доильный стакан /соавтор Асманкин Е.М.-Опубл. в Б. И., 1990, Я 7.

22.А.с. 1563643 /СССР/. Молокомер /соавторы Огородников П.И., Карташов Л.П., Аксенов A.B./ - Опубл. в Б.И., 1990, № 18.

23.А.с. 1583102 /СССР/. Устройство для содержания новорожденны.*, телят /соавторы Карташов Л.П., Алексеев В.Н., Бухарин О.В./

- Опубл. в Б.И., 1990, № 29.

24.А.с. 1604285 /СССР/. Клетка для содержания молодняка животных /соавторы Алексеев В.Н., Рычковский А.Г,, Махмутов Б,С,/

- Опубл. в Б.И., 1990, № 41.

25.А.с. 1625452 /СССР/, Стенд для испытаний манипуляторов доения /соавтор Зайковский И.О./ - Опубл. в Б.И., 1991, К 5,

26.A.c. 1718758 /СССР/. Устройство для подготовки нетелей к машинному доению /соавтор Герасименко И.И,/- Опубл. б Б.И., 1992, № 10.

27.Л.с. 1792880 /СССР/. Прибор для определения упругости сос-.ков. - Опубл. в Е.И., 1992, № 18.

28.Оценка напряженности труда оператора машинного доения. - Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1982, № 4.

29.Обработка вымени коров. -. Уральские нивы, 1980, № 11.

30.Замена ручной преддоильной обработки вымени машиной. -Ураль-.ские нивы, 1982, КЗ,

31. Оценка эффективности работы устройства для обработки вымени коров. -М.:Доклады Всесоюзной научно-техн.конференции молодых ученых, 1981.

32.Необходимость применения подмывающего устройства на доильной установке УДС-ЗА, -Оренбург: Тезисы докладов научно--техн. конференции ученых и специалистов Южного Урала, 1979.

33.0 методике исследования энергозатрат операторов машинного доения. -Горький: Труды Горьковского СХИ, 1980, № 141.

34. Устройство для преддоильной обработки вымени. -Техника в сельском хозяйстве, 1982, № 9 /соавтор Карташов Л.П./.

35,Эргономическое обоснование механизации доения. - Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1982, № 7 /соавтор Аверкиев A.A./.

36.0 выборе оптимального устройства для обработки вымени коров. -JM. :Тезисы докладов УГ Всесоюзного симпозиума по машинному доению, Таллинн, 1983 /соавтор Ужик В.Ф./.

37. К вопросу создания робототехнических систем для подготовки коров к доению. - Челябинск:Материалы Ш Всесоюзной конференции "Роботы и робототехнические системы", 1983 /соавторы Карташов Л.П., Дурписов Ж.А., Ужик В.Ф./.

38.Чистота и качество. - Уральские нивы,1977, № 3 /соавтор Поздняков В.Д./.

39.Пути ускорения внедрения новых конструкций доильных аппаратов. Механизация содержания КРС на малых фермах и применение новейших аппаратов в технологических линиях доения коров, - Глеваха: Материалы республиканской конференции, 1989 /соавтор Поздняков В.Д./,

40.Автоматическая система для содержания новорожденных телят,-Глеваха: Материалы республиканской конференции, 1989 /соавтор Алексеев В.Н./.

•31. Совершенствование средств контроля при машинном доении. -М.:Тезисы докладов УП Всесоюзного симпозиума по машинному доению, Ленинград, 1.988 /соавтор Огородников П.И./.

42.Пути совершенствования доильных аппаратов для родильного отделения. -М.:Тезисы докладов УП'Всесоюзного симпозиума по машинному доению, Ленинград, 1988 /соавтор Огородников U.U./

43.Автоматизация подготовительных операций процесса доения коров. ~М.:Тезисы докладов УП Всесоюзного симпозиума по машинному доению, Ленинград, 1988.

44. Оценка доильного оборудования по анализу проб молока. -М.: Тезисы докладов на Всесоюзной научно-техн. конференции по методам и техническим средствам применяемым при испытании с/х техники АгроНИИТЭИИТО, 1988 /соавторы Аверкиез A.A., Бунин И.А./.

45.0 методике испытаний доильных аппаратов. -М.:Тезисы докладов на Всесоюзной научно-техн.конференции по методам и техническим средствам применяемым при испытании с/х техники АгроНИИТЭИИТО, 1988 /соавтор Карташов Л.П./.

46.Обоснование параметров захватных устройств доильных механизмов. - Техника в сельском хозяйстве, 1S88, № 1 /соавтор Карташов Л. П./.

47.Обоснование выбора доильного аппарата для доения технологических групп коров на ферме. -Сумы: Тезисы докладов Всесоюзной научно-техн.конференции, 1989.

48.Методика оценки доильных аппаратов по характеристическим кривым малокоотдачи. -М. гДопон.рук. ВШШТЭИ Агропрсм, 1988, № 32/14 ВС.

•19.Методика оценки эффективности воздействия дсилышх аппаратов по физиологическим показателя.'.'.. -М. :Депон.руг.. ВШШТЭИ Агро-пром, 1988, № 37/7 /соавтор Карташов Л.II./.

Ы). Средства робототехники для обслуживания животных, -М.:Допои.

рук. ВНИИТЭИ Агропром, 1987, № 108 ВС-17 /соавтор Карташов ЛП/

51.Рекомендадии, Технология формирования .групп сухостойных и дойных коров. Организация их кормления и машинного доения, -М. : Росагрсшромиздат, 1989, с.1-40,

52,Методические рекомендации по доению коров в родильном отде-.леюга, - М.: ВАСХНИЛ, 1988, с. 1-59 /в соавторстве/.

53»Автоматическая клетка для содержания новоровденных телят. - М,.: Материалы научно-практич.конференции по применению робототехнических средств в агропромышленном комплексе, Москва, СПО, Агровнешреклама, 1987, с.45-47 /соавтор Алексеев B¿H,/»

54.Методика испытаний доильных автоматов. — М. : Материалы на-учно-практич.конференции по применению робототехнических средств в агропромышленном комплексе, Москва, СПО, Arpo--внешреклама, 1987, о.60-62 /соавтор Зайковский И.О./.

55,0 методике испытаний доильных аппаратов. - Новокубанск: Сборник научных трудов системные методы испытаний техники для животноводства и кормопроизводства, 1979, с.82-85.

56,Доильный аппарат с автоматическим регулятором вакуума. -Техника в сельском хозяйстве, 1991, й 1, с.17-18 /соавтор Асманкин Е.М./,