автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование методологии развития доильных машин

Введение

Глава 1 Анализ проблемы технической реализации процесса молоковыведения при машинном доении коров

1.1 Современное состояние проблемы технического обеспечения производства молока

1.2 Пути и средства технической реализации физиологичного режима извлечения молока из вымени животного

1.3 Особенности механизации производства молока на мелких МТФ и в крестьянских хозяйствах

1.4 Специфика определения и формирования функционально -параметрической структуры аппаратов для физиологичного извлечения молока из вымени коров

1.5 Перспективы методологического обеспечения принципиально -технологической конкретизации функциональных схем при проектировании доильных аппаратов

1.6 Методические особенности лабораторных исследований при конструктивной и режимной оптимизации доильных аппаратов для индивидуального обслуживания лактирующих коров

1.7 Технико-экономический аспект производственно-технологической адаптации доильных аппаратов

Выводы

Глава 2 Теоретическое обоснование параметрической оценки функциональности морфологической структуры производства молока для различных типов нервной деятельности биологического объекта в системе «Ч-М-Ж».

2.1 Математическое описание кривой молокоотдачи лактирующего животного

2.2 Методика определения функциональной связи уровня молока в цистерне вымени с его объемом

2.3 Методика определения зависимости объема извлекаемого из вымени молока от его уровня в молочной цистерне

2.4 Методика параметрической оптимизации вакуумного режима извлечения молочной массы из вымени животного

Выводы

Глава 3 Обоснование математической модели исследования гидродинамической структуры и характеристик гидравлических элементов технического звена системы «Ч-М—Ж»

3.1 Моделирование процесса извлечения молока из вымени животного

3.1.1 Определение функции перемещения доильного стакана по соску вымени к его основанию

3.1.2 Методика оптимизации функции перемещения доильного стакана по соску вымени к его основанию

3.2 Методика моделирования функциональной схемы доильного аппара

3.2.1 Методика определения коэффициента емкости тупиковой гидропневмомеханической системы

3.2.2 Методика определения коэффициента комплексного сопротивления гидропневмомеханической системы

3.2.3 Математическое описание процесса изменения давления в тупиковой системе гидропневмообеспечения доильного аппарата

3.2.4 Методика разработки модели режимного обеспечения доильного аппарата

3.2.5 Алгоритмы создания и анализа реализации функциональных характеристик доильного аппарата

Выводы

Глава 4 Формализация теоретического обеспечения адекватности характеристик технического и биологического звена системы «Ч-М—Ж»

4.1 Методика априорной оценки качества управления вакуумным режимом в доильных аппаратах с регулируемыми техническими параметрами

4.2 Методика теоретической оценки достоверности технической реализации физиологичного режима работы доильных аппаратов

4.3 Методика функционально-технологической оптимизации элементов конструкции доильных аппаратов с переменными режимными характеристиками

4.3.1 Комбинированные доильные аппараты с устройствами для регулирования вакуумметрического давления

4.3.1.1 Методика параметрической оптимизации весового датчика молока - «молоколовушки»

4.3.1.2 Методика оптимизации режима работы регулятора вакуума

4.3.1.3 Методика оптимизации рабочего вакуума в подсосковых камерах доильных стаканов

4.3.2 Компактные доильные аппараты с централизованным энергетическим обеспечением

4.3.2.1 Методика исследования характеристик рабочего цикла доильного аппарата

4.3.2.2 Методика исследования сил, действующих на доильный стакан

4.3.2.3 Методика исследования геометрических характеристик соска вымени животного

4.3.2.4 Методика оптимизации вакуумметрического давления в подсос-ковой камере доильного стакана

4.3.2.5 Методика оптимизации давления соскового чулка на сосок вымени коровы

4.3.2.6. Методика исследования вакуумных характеристик работы доильного аппарата «противонаползающего» типа

4.3.2.7. Методика параметрического анализа режима стабилизации доильного стакана на вымени животного

4.3.2.8. Методика параметрического анализа работы доильного аппарата в течение одного цикла

4.3.3 Компактные доильные аппараты с автономным энергетическим обеспечением

4.3.3.1 Методика функционального анализа принципиальной схемы доильных аппаратов компактного типа

4.3.3.2 Методика исследования геометрических параметров сосковой резины

4.3.3.3 Методика исследования влияния параметров соска вымени на параметры сосковой резины

4.3.3.4 Методика исследования режимных характеристик доильного аппарата компактного типа

4.3.3.5 Методика минимизации расхода воздуха при пневмообеспечении рабочего процесса в доильном аппарате

4.3.3.6 Анализ энергетического обеспечения функционирования доильного аппарата в плане сравнения с физическим потенциалом человека

Выводы

Глава 5 Теоретические основы формирования методической и технико-экспериментальной базы для функционально-технологической оптимизации конструктивных и режимных параметров доильных машин, предполагаемых к внедрению

5.1 Математическое описание кривых контура соска вымени в процессе молоковыведения

5.2 Методика оптимизации координат точки интенсивного воздействия сосковой резины на поверхность соска вымени

5.3 Методика оптимизации фактической площади поверхности и объема сдеформированного соска вымени в процессе молоковыведения

5.4 Методика определения площади действительного контакта соска вымени с сосковой резиной в процессе молоковыведения

5.4.1 Анализ особенностей взаимодействия соска вымени с сосковой резиной доильного стакана

5.4.2 Формализация методики определения контактной площади соска вымени

5.4.3 Анализ вопроса лабильности упругих характеристик соска вымени в зависимости от физиологических и морфологических характеристик животного

Выводы

Глава 6 Обоснование возможности оперативного внедрения технических средств для реализации процесса молоковыведения с учетом индивидуальных морфологических и физиологических характеристик л актирующего животного

6.1 Методика определения конструктивно-режимных параметров проектируемого доильного аппарата

6.2 Методика аппроксимации характеристики молокоотдачи животного гипотетической кривой

6.3 Методика оптимизации конструктивно-режимных параметров до^ ильного аппарата, предполагаемого к внедрению

Выводы

В молочном животноводстве особое место занимает машинное доение коров, как наиболее трудоемкий и ответственный процесс, требующий не только возобновления бездефицитного производства доильной техники, но и обеспечения технического перехода на качественно новый, более совершенный технологический уровень.

Однако, как показывает практика, основной проблемой реализации процесса извлечения молока из вымени является отрицательное воздействие доильных аппаратов на молочную железу животного. В связи с этим, встает вопрос о возможности и необходимости производства молока в условиях молоч-но-товарных ферм, техническое оснащение которых является на сегодня одной из наиболее значимых задач, затрагивающей различные сферы хозяйственной и научно-исследовательской деятельности специалистов в области машинного доения.

Принципиально важно учитывать то обстоятельство, что процесс производства молока реализуется в системе «человек-машина-животное (Ч-М-Ж)». Следовательно его решение, имеющее непосредственное отношение к обоснованию целесообразности кардинальной модернизации и внедрению доильных машин, должно быть обусловлено спецификой формирования и реализации генетического потенциала продуктивности молочных коров.

Проблема оптимизации конструктивно-режимных параметров доильных аппаратов неотъемлемо связана с их физиологической оценкой, достоверность которой определяется уровнем методологического обеспечения лабораторно-стендовых и производственных испытаний. В связи с этим, необходима высокоточная натурная и функциональная имитация анатомических, морфологических и физиологических параметров лактирующего животного, что позволяет реализовать его адаптацию к машинному доению без отрицательного воздействия на молочную железу, приводящего к заболеванию и выбраковке коров из технологических групп.

Производство и развитие доильного оборудования, отвечающего физиологическим требованиям, осложняется лимитированностью капиталовложений в молокопроизводящую отрасль. Это является одной из наиболее значимых предпосылок внедрения ЭВМ в сферу научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ на наукоемких этапах его создания. Практика проектирования щадящего и стимулирующего доильного оборудования показала, что существует реальная возможность оснащения молокопроизводящей отрасли доильными машинами автоматического типа, отвечающими всем необходимым требованиям, обусловленным спецификой процесса молоковыведения.

Обеспечение молочного животноводства высокопроизводительной, удобной в эксплуатации и недорогой доильной техникой является только одним из путей решения актуальной проблемы экономического становления сельского хозяйства. На сегодняшний день вопрос механизации и автоматизации сельскохозяйственного производства выходит на первый план, поскольку практически все сферы деятельности работников и ученых - ветеринарная, биологическая, зоотехническая и др., в основе своей опираются на материально-техническую базу. Таким образом, целесообразность исследовательской работы, направленной на развитие доильного оборудования, достоверна и обусловлена практической необходимостью, вызванной современным состоянием дел в молокопроизводящей отрасли животноводческого комплекса России.

Цель исследований - разработать научно-методологические основы реализации потенциала молочной продуктивности коров на принципах развития технических систем для извлечения молока из вымени в течение лактационного периода.

Задачи исследований:

1. Исследовать тенденции совершенствования технологии реализации потенциала молочной продуктивности лактирующих животных.

2. Разработать методику оптимизации параметрической структуры технических систем для извлечения молока из цистернальных отделов молочной железы в режиме идентификации физиологических характеристик животного.

3. Разработать математическую модель для теоретического исследования воздействия технической системы на молочную железу с целью определения ее гидродинамической структуры и характеристик гидравлических элементов.

4. Создать основы методологического обеспечения проектных и конструкторских мероприятий в плане принципиально-технологической конкретизации параметрической структуры доильных машин.

5. Проанализировать кардинальные вопросы производственно-технологической адаптации доильных аппаратов в аспекте параметрической адекватности технического и биологического звеньев системы «Ч-М-Ж».

6. Разработать основы комплексного методологического обеспечения ла-бораторно-стендовых и производственных исследований возможности оперативного внедрения технических средств для реализации процесса молоковыве-дения с учетом индивидуальных морфологических и физиологических характеристик л актирующего животного.

Объект исследований - режим параметрической адекватности структурных элементов технической системы и физиологических характеристик биологического объекта при машинном доении коров.

Предмет исследований - технология эвакуации молока из вымени при доении лактирующих животных аппаратами с переменными конструктивно-режимными параметрами.

Методы исследований:

1. Гипотетическое абстрагирование от процесса воздействия исполнительных элементов доильного аппарата на молочную железу до уровня функционально-режимной оптимизации комплекса параметрических взаимосвязей технического звена и биологического объекта в системе «Ч-М-Ж».

2. Структурно-технологический анализ процесса эвакуации молока из вымени животного и функционально-параметрический синтез технических систем для физиологически адекватной реализации режима молоковыведения.

3. Принципиальная конкретизация технических систем для производственной эксплуатации биологического объекта в соответствие его индивидуальным характеристикам.

4. Функционально-режимная оптимизация и производственно-технологическая адаптация результатов проектно-исследовательских мероприятий на основе физического и математического моделирования.

5. Разработка программного обеспечения для полноценной реализации потенциала ЭВМ с учетом специфики технической сферы молочного скотоводства России.

Научная новизна работы:

1. Методика оптимизации параметрической структуры доильных аппаратов с переменными конструктивно-режимными характеристиками для индивидуального обслуживания лактирующих коров.

2. Аналитическая модель воздействия исполнительного механизма доильного аппарата с переменными конструктивно-режимными характеристиками на вымя коровы в процессе молоковыведения.

3. Основы математического обеспечения методологии проектно-конструкторских мероприятий: методики расчета гидропневматических статических элементов доильных аппаратов; методики расчета динамических и кинематических схем управления перемещением и ориентацией в рабочем пространстве исполнительных механизмов доильных аппаратов; методики расчета и оптимизации режимных характеристик доильных аппаратов.

4. Методическое и техническое обеспечение лабораторно-экспериментальных исследований ускоренной реализации функционально-технологической оптимизации конструктивно-режимных параметров доильных аппаратов, предполагаемых к внедрению.

5. Обоснование производственно-технологической адаптации доильных аппаратов в аспекте параметрической адекватности подсистемы «машина-животное» системы «Ч-М-Ж».

6. Методика интеграции вычислительного, лабораторного и производственного экспериментов как основа минимизации технико-экономических показателей внедрения доильных аппаратов.

Практическая ценность работы - разработанное научно-теоретическое, методическое и функционально-техническое обеспечение НИР делает возможным интенсифицировать рост эффективности проектно-конструкторских мероприятий с точки зрения экономически целесообразного развития доильных аппаратов при условии исключения «жестких» экспериментов, наносящих вред здоровью животного, повышения уровня достоверности режимно-параметрической оптимизации и сокращения периода производственно-технологической адаптации. С учетом специфики сферы реализации результатов настоящей работы, предполагающей производственную эксплуатацию разнотипных лактирующих животных, разработаны доильные аппараты с переменными техническими параметрами, внедрение которых обеспечивает индивидуальное обслуживание коров в режиме адекватности их физиологическим характеристикам. Также разработаны: способ определения параметров и конфигурации конструктивных элементов стенда для испытания доильных аппаратов; способ машинного доения; способ доения лактирующих животных; способ предотвращения наползания доильного стакана на сосок вымени; методические материалы по расчету элементов доильных аппаратов, утвержденные Россель-хозакадемией.

Реализация результатов диссертационных исследований.

Технические решения, отличающиеся принципиальной новизной и представляющие собой значимую практическую ценность с точки зрения повышения эффективности производства молочной продукции, внедрены в хозяйствах Оренбургской и Самарской области.

Методика лабораторно-стендовых исследований конструктивно-режимных характеристик доильных аппаратов включена в курс переподготовки и повышения квалификации руководящих кадров и специалистов агропромышленного комплекса России в качестве рекомендаций по аттестации и ускоренным испытаниям доильной техники.

Материалы теоретических исследований приняты в качестве основы математического обеспечения при проектировании и модернизации сельскохозяйственной техники в плане реализации региональных программ механизации сельскохозяйственного производства на Южном Урале.

Алгоритмы параметрической оптимизации функциональных и принципиальных схем технических средств для извлечения молока из вымени лакти-рующего животного включены в методические материалы по расчету элементов доильных аппаратов, утвержденные Россельхозакадемией.

Результаты диссертационной работы в сфере проектирования, совершенствования и исследования доильных аппаратов использованы при создании программ тестирования доильного оборудования и измерителя параметров доильного оборудования «EXITEST» («ELIRI» S.A. республика Молдова).

Научно-методические материалы по проектированию и анализу доильных аппаратов используются в учебном процессе инженерных факультетов ряда сельскохозяйственных ВУЗов (20) России и ближнего зарубежья при чтении лекций, проведении лабораторно-практических занятий, выполнении курсового и дипломного проектирования, а также при реализации наукоемких теоретических исследований в СНО и СКБ.

Апробация - основные положения диссертации были доложены в период с 1988 по 2002 год и получили официальное одобрение на следующих научных форумах: VII Всесоюзном симпозиуме по машинному доению сельскохозяйственных животных (Москва - Ленинград, 1988 г.); I Всероссийском симпозиуме по доению сельскохозяйственных животных (Оренбург, 1995 г.); IX, X и XI Международном симпозиуме по машинному доению сельскохозяйственных животных, первичной обработке и переработке молока (Оренбург, 1997 г.; Пе-реславль - Залесский, 2000 г.; Казань, 2002г); Международных научно-технических конференциях (Углич, 1997 г.; Москва 1998 г.; УкрЦИТ. Дослид-ницкое, 2000 г.); Международных научно-производственных конференциях

Львов, 1999 г.; Белгород, 1999 г.); Региональных научно-практических конференциях (Оренбург, 1993, 1999 гг.); Научно-производственных конференциях ОГАУ (Оренбург, 1988, 1995, 1996, 1997, 1998, 2000 гг.).

Аналитический материал и техническая реализация результатов диссертационных исследований удостоены следующих наград: медаль "Лауреат Всероссийского выставочного центра" (Москва, 2002 г.); нагрудный знак "Участник Всероссийского выставочного центра" (Москва, 2000 г.); диплом лауреата премии администрации Оренбургской области в сфере науки и техники за 2000 и 2001 год; диплом I степени (1993, 1994, 1997 гг.), диплом II степени (1996 г.), диплом III степени (1998 г.) - Областной конкурс на лучшую научно-исследовательскую работу среди молодых ученых и специалистов Оренбуржья.

Публикация: По материалам диссертационных исследований опубликована монография, расчетно-методические материалы, 50 статей, из них 13 в центральной печати, и получено 18 патентов на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения по результатам диссертационных исследований, библиографического списка использованной литературы (369 наименований) и 17 приложений.

Выводы:

• Разработанная модель оптимизации конструктивно-режимных параметров, в основу которой положена характеристика молокоотдачи лактирующего животного обеспечивает адекватность технической функции доильных аппаратов функциональным особенностям молочной железы с ошибкой моделирования не более 4,6%.

• В результате экспериментальных исследований установлено, что разработанная методика вычислительного эксперимента позволяет оптимизировать параметрические характеристики конкретных технических, анатомических, физиологических и имитационных элементов подсистемы «Доильная машина -испытательное оборудование - животное» в системе «Ч-М-Ж» с ошибкой, не превышающей 5%, что делает возможным снижение величины наползания доильных стаканов на соски вымени коровы в среднем до 4,8 мм за 3-4 дойки, причем данное значение остается стабильным на протяжении 8-10 доек.

Рис. 6.3. Функция перемещения доильных стаканов по соску вымени к его основанию - наползание

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДИССЕРТАЦИОННЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Решение проблемы формирования генетического потенциала продуктивности молочных коров основано на развитии антропогенных механо-технологических факторов, определяющих функциональность технического звена системы «Ч-М-Ж» в производственно-эксплуатационной сфере современного молочного животноводства России. В результате произведенных исследований выявлен ряд кардинальных направлений совершенствования доильных машин как устройств для выполнения способов извлечения молока из вымени в режиме адекватности физиологическим характеристикам лактирую-щего животного. Гипотетическая квинтэссенция технологичности таких устройств может быть сформулирована следующим образом: «Функционально компактная машина, раздельно-почетвертного типа выдаивания с автоматической идентификацией параметров молочной железы, автоматическим управлением эвакуацией молока и возможностью переключения на автономный энергетический режим». Данная система технического обеспечения процесса доения делает возможным проведение оптимизации взаимодействия исполнительных механизмов и биологического объекта - коровы, независимо от её породы и типо-возрастной группы.

2. Посредством математического описания характеристической кривой молокоотдачи лактирующего животного разработан методический комплекс поэтапного проведения функционально-технологической оценки молочной железы, обеспечивающий, при условии определения критерия оптимизации и допусков на значения конструктивно-режимных параметров, создание универсальной модели (с ошибкой моделирования не более 4,6%) для реализации адекватности технической функции доильной машины физиологической специфике процесса молоковыведения, что является аналитической базой проект-но-конструкторских процедур при модернизации как серийного доильного оборудования, так и опытных образцов, предполагаемых к внедрению.

3. Формализация взаимосвязей процесса извлечения молока из вымени животного со схемо-функциональными особенностями устройств для его осуществления привела к обоснованию математической модели исследования структуры и гидродинамических характеристик их гидравлических элементов с точки зрения оптимизации режима функционирования тупиковых систем гид-ропневмообеспечения, лежащих в основе функционально-параметрического проектирования доильных машин нового поколения, что позволило разработать ряд алгоритмов для системного анализа и проведения технических расчетов.

4. При исследовании вопроса принципиально-конструктивной конкретизации параметрической структуры доильных машин с переменными характеристиками реализуемой технической функции особого внимания потребовало создание методики априорной оценки качества управления вакуумным режимом и методики теоретической оценки достоверности технического обеспечения физиологичности рабочего процесса. Это обусловлено спецификой критерия оптимальности, а также лабильностью физического состояния лакти-рующего животного и, фактически, определяет как уровень функционального насыщения проектируемого устройства (включая техническое решение синтеза идентифицирующей САУ и систем с обратной связью, учитывая многоконтурные варианты), так и его эксплуатационную технологичность.

5. Основой формирования методологической и технико- экспериментальной базы для параметрической оптимизации доильных машин, предполагаемых к внедрению, является обеспечение идентичности физической модели молочной железы её реальному прототипу. При этом необходима имитация конфигу-ративных и физиологических характеристик адекватно фазовому состоянию лактирующего животного непосредственно при молокоотдаче в каждый конкретный момент времени от начала доения, что методически возможно посредством математической интерпретации кривых контура соска вымени и оптимизации координат точки интенсивного воздействия сосковой резины на его поверхность, определяющих площадь действительного контакта их взаимодействия.

302

6. Отраслевая специфика сферы аналитической реализации электронно-вычислительного потенциала, предполагающая не только экспертирование серийных доильных машин или разрабатываемых проектов новой доильной техники, но и проведение исследовательских работ с привлечением большого числа сельскохозяйственных животных, фактически явилась предпосылкой к созданию методики, обеспечивающей органическую взаимосвязь производственных и лабораторно-стендовых испытаний (вычислительного эксперимента) на основе математического моделирования параметрических и функциональных связей подсистемы «доильная машина — испытательное оборудование-животное» системы «Ч-М-Ж». В результате этого внедрение доильного оборудования стало возможным после трех-четырех экспериментальных доек, независимо от типо-возрастных характеристик лактирующих коров, без нанесения ущерба их здоровью.

1. А 1 1033085 SU А 01 J 5/08. Доильный стакан

2. А 1 1034665 СССР А 01 J 7/00. Манипулятор для доения коров.

3. А 1 1047451 SU А 01 J 5/04. Доильный аппарат

4. А 1 Ю64924 СССР А 01 J 5/08. Доильный стакан

5. А 1 1099908 СССР А 01 J 7/00. Регулятор вакуума.

6. А 1 682189 СССР А 01 J 7/00. Колектор доильного аппарата.

7. А 1 1110422 СССР А 01 J 7/00. Регулятор вакуума.

8. А 1 1530146 СССР А 01 J 7/00. Коллектор доильной машины.

9. А 1 1113055 СССР А 01 J 7/00. Манипулятор к доильным аппаратам.

10. А 1 1126256 СССР А 01 J 7/00. Регулятор вакуума для доильного аппарата.

11. А 1 273571 СССР А 01 J 7/00. Исследование доильных аппаратов.

12. А 1 1155215 СССР А 01 J 5/08. Доильный стакан

13. А 1 1158115 СССР А 01 J 5/08. Доильный стакан

14. А 1 1178366 СССР А 01 J 5/08. Доильный стакан

15. А 1 1209115 SU А 01 J 5/02. Доильный аппарат

16. А 1 122994 СССР А 01 J 5/04. Доильная машина с однокамерными доильными стаканами

17. А 1 1250223 SU А 01 J 5/08. Дольный стакан

18. А 1 126334 СССР А 01 J 5/04. Отсасывающий доильный аппарат переменного вакуума

19. А 1 1265636 Великобритания А 01 J 5/04. Milking apparatue / Alfa Laval

20. А 1 1271463 СССР A 01 J 7/00. Регулятор вакуума.

21. А 1 1273038 СССР A 01 J 7/00. Манипулятор для доения.

22. А 1 1291085 СССР А 01 J 7/00. Способ машинного доения коров.

23. А 1 1291086 СССР А 01 J 7/00. Манипулятор к доильному аппарату.

24. А 1 130719 СССР А 01 J 5/06. Однокамерный доильный стакан

25. А 1 1308272 СССР А 01 J 7/00. Регулятор вакуума.

26. А 1 1335212 СССР А 01 J 7/00. Колектор доильного аппарата.

27. А 1 1331455 СССР А 01 J 7/00. Регулятор вакуума.

28. А 1 1340677 SU А 01 J 5/00. Доильный аппарат

29. А 1 1360661 СССР А 01 J 7/00. Регулятор вакуума.

30. А 1 1362423 СССР А 01 J 5/04. Доильный аппарат

31. А 1 1382451 СССР А 01 J 5/08. Доильный стакан

32. В процесее проведения диссертационных исследований было выявлено более 570-и тематических публикаций, из которых представленные в настоящем списке являются наиболее значимыми для решения поставленных задач32.35.