автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Обоснование параметров и разработка оборудования для электрофизического лечения копытной формы некробактериоза крупного рогатого скота

На правах рукописи

Прошкин Юрий Алексеевич

Обоснование параметров и разработка оборудования для электрофизического лечения копытной формы некробактериоза крупного рогатого скота

05.20.02 — электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 МЮН 2013

Москва 2013

005061228

005061228

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент, Юферев Леонид Юревич

Башилов Алексей Михайлович,

доктор технических наук, профессор, Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина, заведующий кафедрой

Перший Александр Федорович,

кандидат технических наук, Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, старший научный сотрудник

ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет»

Защита состоится « ^ » 20/^г. в /Я' 5О часов на

заседании диссертационного совета Д.006.037.01 в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ) по адресу: 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства».

Автореферат разослан « Л $ » 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Некрасов А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Рост и развитие животноводческой отрасли, а именно, повышение поголовья крупного рогатого скота (КРС), является приоритетным направлением на сегодняшний день. С 1991 по настоящее время поголовье КРС сократилось с 54 до 20 млн. голов.

В условиях повышения интенсивности производства в животноводческих хозяйствах резко возрастает процент травматизма дистального отдела конечностей, что приводит к их заболеванию.

Наиболее распространенной инфекционной болезнью пальцев и копытец КРС на сегодняшний момент является некробактериоз.

Некробактериоз - инфекционная болезнь, характеризующаяся, в основном, гнойно-некротическими поражениями нижних частей конечностей, кожи, слизистых оболочек и внутренних органов. В последние десятилетия чрезвычайно возросла частота некробактериоза КРС в копытной форме. За последние 20-25 лет заболеваемость крупного рогатого скота некробактериозом вышла в структуре инфекционной патологии на одно из первых мест. Ежегодно болеют некробактериозом около 7 % крупного рогатого скота. Болезнь наносит неблагополучным хозяйствам большой экономический ущерб, происходит уменьшение удоя и массы животных, особо тяжелые случаи могут привести к выбраковке животного.

Как правило, лечение некробактериоза дистального отдела КРС осуществляется хирургическим способом с последующей обработкой места поражения химиотерапевтическими средствами, что приводит к понижению качества продукции.

Известно, что после хирургического удаления некротических очагов обеззараживание биологических тканей можно проводить локальным термическим воздействием, при этом сокращается срок лечения и не ухудшается качество продукции.

В связи с этим возникают научные и практические задачи по разработке технических средств электрофизической обработки биологических тканей при лечении некробактериоза.

Работа выполнялась в рамках рабочей программы по фундаментальным и приоритетным прикладным исследованиям на 2013 год № 09.03.04.03 «Разработка новых электрофизических методов и технических средств воздействия на сельскохозяйственные объекты, позволяющие увеличить количество и повысить качество продукции растениеводства и животноводства».

Цель работы. Обоснование параметров и разработка оборудования для электрофизического лечения копытной формы некробактериоза у КРС.

В соответствии с целью поставлены следующие задачи:

- провести анализ существующих методов и средств послеоперационной обработки биологических тканей и обосновать актуальность и практическую значимость применения электрофизического лечения при некротических поражениях дистального отдела КРС;

- разработать математическую модель для расчета эффективной тепловой мощности и электротехнических параметров холодноплазменного электрокоагулятора;

- на основе математического моделирования и расчета необходимой эффективной тепловой мощности для обработки биологических тканей обосновать конструктивно-технологические параметры холодноплазменного электрокоагулятора;

- разработать, изготовить и испытать образец холодноплазменного электрокоагулятора, на основании испытаний на животноводческой ферме оценить технико-экономическую эффективность внедрения системы электрофизического лечения некробактериоза в копытной форме.

Объектом исследования является оборудование для электрофизического лечения копытной формы некробактериоза крупного рогатого скота.

Методика исследований. Поставленные задачи решены с применением теории вероятностей и математической статистики, теории математического и физического моделирования. Экспериментальные исследования выполнены с использованием современной измерительной и вычислительной техники путем непосредственных измерений и сравнения с данными теоретических исследований.

Научную новизну работы представляют:

- метод послеоперационной обработки биологических тканей с использованием локального термического обеззараживания при лечении некробактериоза КРС в копытной форме;

- математическая модель, позволяющая обосновать контролируемые и регулируемые параметры режимов обработки биологических тканей;

- методика применения холодноплазменного электрокоагулятора в животноводческих хозяйствах;

- конструктивно-технологические параметры устройства для ускорения лечения от некробактериоза копыт крупного рогатого скота (патент РФ на полезную модель №106546).

Практическая ценность:

- разработана методика определения электротехнических параметров холодноплазменного электрокоагулятора для локального термического обеззараживания при лечении некробактериоза КРС в копытной форме;

4

- разработаны технические средства для электрофизического лечения копытной формы некробактериоза, позволяющие производить обеззараживание биологических тканей при помощи термического локального воздействия у КРС, при этом сокращается период лечения на 41 %, и уменьшаются затраты на лечение;

- предложена методика применения системы электрофизического лечения копытной формы некробактериоза крупного рогатого скота на основе холодно-плазменного электрокоагулятора.

Внедрение результатов исследований.

Результаты проведенных исследований технологии лечения внедрены на животноводческих хозяйствах ООО «РусМолоко» (Московская область) в 2011 году и в ООО «Агрокомплекс «Истье» (Калужская область) в 2012 году.

В рамках конкурса «Умник - 2011», проводимого Министерством образования и науки Российской Федерации совместно с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, на систему для электрофизического лечения копытной формы некробактериоза крупного рогатого скота заключен государственный контракт на разработку и подготовку данной системы к серийному производству, изготовлено 3 устройства.

Положения, выносимые на защиту:

- метод лечения копытной формы некробактериоза у КРС холодноплаз-менным электрокоагулятором, обеспечивающий сокращение срока выздоровления и материальных затрат;

- математическая модель, позволяющая определять электротехнические параметры холодноплазменного электрокоагулятора и необходимую эффективную тепловую мощность для различных режимов работы;

- методика расчета параметров и режимов работы для холодноплазменного электрокоагулятора, обеспечивающих обработку биологических тканей электрофизическим способом при лечении копытной формы некробактериоза крупного рогатого скота;

- методика применения холодноплазменного электрокоагулятора, позволяющая выбрать эффективный режим работы и экспозицию обработки.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и одобрены на международных конференциях: XI международной научно-практической конференции, 14-15 сентября 2010г., г. Углич; труды 7-й Международной научно-технической конференции, 18-19 мая 2010г., г. Москва; II Международной научно-практической конференции «Молодежная наука - как взгляд в будущее» для студентов СПО, ВПО, аспирантов и молодых ученых, 22 апреля 2011г., г. Оренбург; 14-й Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве - инновационные

5

технологии и модернизация в отрасли», 20-21 апреля 2011г., г. Подольск; 7-й и 8-й международных научно-технических конференциях, 2010 и 2012г., ВИЭСХ, Москва.

Публикации результатов исследований. Основное содержание диссертации опубликовано в 13 печатных работах, из них 3 работы в изданиях рекомендуемых ВАК, получен 1 патент РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 115 наименований, семи приложений. Общий объем диссертации составляет 136 страниц, в том числе на 121 странице изложен основной текст, который содержит 44 рисунка и 16 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной темы, цели и задачи исследования. Изложено краткое содержание глав диссертации, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Методы обеззараживания, профилактики и лечения некротических поражений у КРС» рассматриваются основные формы некро-бактериоза и причины его возникновения, а также современное состояние методов лечения и его профилактики и обеззараживания поверхности биологических тканей в послеоперационный период с помощью химических, химиотера-певтических средств и электрофизических способов обработки.

Наиболее распространенным способом лечения некротических поражений более запущенных случаев является хирургическая обработка с последующей антисептической обработкой места поражения слабыми химиотерапевти-ческими средствами.

Лечение начинают с удаления загрязнений копытца, затем проводят хирургическую обработку некротического очага заболевания с удалением омертвевших тканей. После операции проводят антисептическую обработку химио-терапевтическими средствами и накладывают повязку с марлевым тампоном. Плохо проведенная антисептическая обработка и оставшиеся некротические ткани могут привести к перезаражению и появлению новых очагов заболевания. В последнее время на рынке, в качестве средства лечения, появились всевозможные гели и мази, но на практике их применение довольно противоречиво, так как они выполнены на жировой основе, и затрудняют отток гноя. Средний срок периода лечения продолжается примерно 14 дней.

Изучению способов и средств лечения некробактериоза в копытной форме посвятили работы отечественные и зарубежные авторы: В.А. Лукьяновский, П.Ф. Симбирцев, Н.П. Щербаков, A.B. Смирнова, Т.Н. Шмякина, A.A. Сидор-чук, С.П. Панасюк, Г.И. Устинова, M. Molodovan, S. Boite и другие.

6

Помимо химиотерапевтических средств обработки известны электрофизические способы обработки биологических тканей, например, с помощью коагуляторов, при которых открытые участки подвергаются локальному высокотемпературному воздействию, которое обеззараживает и удаляет очаги болезнетворных бактерий.

Коагуляция осуществляется как постоянным, так и переменным током. Но основным принципом работы электрокоагуляторов является разогрев биологических тканей электрическим током. При прохождении электрического тока через биологические ткани неизбежен электролиз этих тканей, а так же значительный разогрев тканей на всем пути прохождения электротока.

Известны холодноплазменные электрокоагуляторы, которые позволяют избежать электролиза биологических тканей при их обработке. Коагуляция осуществляется плазменным пучком, при этом контакт электрода с обрабатываемой поверхностью отсутствует, что создает дополнительную защиту от занесения инфекции в рану. При осуществлении им коагуляции в обрабатываемых тканях не выделяется большого количества тепла, поэтому глубина термической обработки составляет 0,1...0,2 мм, что недостаточно для проведения обеззараживающей обработки некротических тканей. Разработкой холодно-плазменных электрокоагуляторов занимались следующие ученые: Авраменко К.С., Стребков Д.С., Некрасов А.И., Авраменко C.B., Верютин В.И., Юферев Л.Ю., Баранов О.Б.

На основании проведённого анализа определена цель и задачи: разработать новый холодноплазменный электрокоагулятор повышенной мощности и разработать методику применения его при лечении КРС.

Во второй главе «Обоснование процесса обеззараживания тканей с помощью локальной тепловой обработки холодноплазменным электрокоагулятором» изложены теоретические исследования процесса распределения тепла электродугового разряда. Приведена математическая модель процесса обеззараживания биологических тканей локальным термическим воздействием. Произведен расчет электротехнических характеристик холодноплазменного электрокоагулятора и определено время обработки. Представлена схема процесса обеззараживания тканей и способы повышения эффективности данного процесса.

Обеззараживание поверхности биологической ткани достигается, в основном, за счет термического воздействия. Также эффективность обработки повышается за счет:

- антибактерицидного действия озона, вырабатываемого при работе холодноплазменного электрокоагулятора;

- антибактерицидного действия коротковолнового ультрафиолетового из-

7

лучения электрической дуги;

- за счет ионов серебра, которые распыляются с посеребренных электродов во время обработки тканей и создают эффект ионного ветра.

Электрофизическое воздействие холодноплазменного электрокоагулятора на биологические ткани в процессе обеззараживания представлено на рисунке 1.

Рис. 1. Электрофизическое воздействие холодноплазменного электрокоагулятора

В холодноплазменном электрокоагуляторе источником тепла является плазма, возникающая в результате электрического разряда переменного тока на частоте 20...30 кГц между электродом и телом. При частоте 20...30 кГц не происходит мышечных реакций, а возникает только поверхностный нагрев тканей. Ток и напряжение задаются электротехническими характеристиками прибора при проектировании, из условий параметров образования плазмы с учетом тепловой мощности, необходимой для проведения обработки биологических тканей.

Эффективная тепловая мощность источника теплоты, т.е. количество теплоты, вводимой при коагуляции в тело за единицу времени, определяется по формуле:

Я=г]Р, (1)

где Р - подведенная электрическая мощность на электроде; г) - КПД процесса нагрева (коагуляции).

Из теплового баланса электроплазменной дуги (рис. 2) видно, что КПД процесса нагрева в среднем составляет 0,5.

Обработка представляет собой процесс теплопередачи от точечного источника тепла и описывается законом теплопроводности (законом Фурье).

Температура в точке нагрева биологической ткани при ее обработке хо-лодноплазменным электрокоагулятором описывается формулой 2:

8

Тточки нагрева = Т„ + ДТ = Г0 + ■ I.■ ■• § е~°гйа , (2)

где Я - глубина обработки; ц -мощность источника теплоты; / - время обработки; р - плотность; С - теплоемкость; а - коэффициент температуропроводности; Т0 — температура тела.

Биологическая ткань

Рис. 2. Тепловой баланс для электроплазменной дуги

В качестве обрабатываемого тела брался кожный покров КРС. Для проведения расчетов принимаем следующие теплофизические характеристики (табл. 1), взятые из работ исследователей.

Таблица 1. Теплофизические характеристики кожного покрова КРС

Ткань Р, г _см\ с, Г Дж 1 г-К а, см2 с

Кожный покров КРС 1,25 3,58 0,011

Максимальное значение глубины обработки Я бралось 5 мм, т.к. коагуляция тканей подразумевает обработку поверхностного слоя без нанесения глубо-

ких термических повреждений.

При повышении температуры до 65°С уже через 1 секунду происходят необратимые повреждения тканей, поэтому для предотвращения термических поражений необходимо подбирать режим работы, при котором на границе глубины обработки и заданном времени обработки не происходили необратимые изменения в тканях. Наиболее приемлемые границы рабочей температуры для разрабатываемого метода термической обработки обозначены отрезком А - В на рис. 3.

60 Время

воздействия, с

900 3600

Рис. 3. Зависимость изменений в биологических тканях от длительности повышения их температуры (по Морицу и Генрике)

С учетом приведенных ограничений и формул 1 и 2 можно записать неравенство, устанавливающее связь между температурой в точке нагрева биологической ткани при ее обработке холодноплазменным электрокоагулятором, количеством теплоты и временем обработки:

Т > Т

1 допуст. — 1 точки нагрева

Т - Т А--2- — ■ Г°° e~a2da

1 точки нагрева - l0^Cpa R ^

Т0 составляет 38,3°С (температура тела КРС).

Таким образом, учитывая формулы 1 и 3, можно получить необходимое значение подводимой мощности:

Тдопуст Т0 > ДТ дТ = ^.1 * е-а'ааш (4)

Сра Я п3/г

Тогда:

Р

Моделирование температурного поля кожного покрова КРС, при обработке его электроплазменной дугой для различных электротехнических данных холодноплазменного электрокоагулятора, было осуществлено в программной среде МаШсас!.

Исследования полученных данных позволили выделить три основных режима работы холодноплазменного электрокоагулятора (табл. 2):

Таблица 2. Режимы обработки кожного покрова

Режимы обработки Глубина обработки Время обработки Область применения

Глубокая обработка - термическая обработка биологических тканей высокой интенсивности (эффективная тепловая мощность 5 Вт) 5 мм 4 сек Термическая обработка мягких и твердых биологических тканей, при обработке некротических поражений копытец

Обеззараживающая обработка -термическая обработка биологических тканей средней интенсивности (эффективная тепловая мощность 2,5 Вт) 2 мм 3 сек Термическая обработка мягких биологических тканей, остановка крови при перерезании пуповины, сшивание сосудов

Деликатная обработка - для участков, не требующих интенсивной обработки (эффективная тепловая мощность 1,5 Вт) 1,5 мм 2 сек Обработка трещин вымени, сшивание сосудов, остановка кровотечений

ДТСрЯ-тг

>¡4ИХ

У2_

гЛа

(5)

Полученные температурные поля для режимов работы представлены на рис. 4 — 6 для продолжительной обработки.

Продолжительность

обработки, сек.

Рис. 4. Поле температуры для режима глубокой обработки

А дт. с

Зона гибели белковой ткани

мм

Р*= 2мм

Продолжительность обработки, сек.

Рис. 5. Поле температуры для режима обеззараживающей обработки

/ \ ДТ. С'

-

;о 11 !->

Продолжительность обработки, сок.

Рис. 6. Поле температуры для режима деликатной обработки

Подводимой мощностью является мощность на выходе ограничивающего конденсатора, подключенного к выходу резонансного трансформатора или между обмотками, и равна:

и2

"рез.Тр. ' хс

(6)

где - и напряжение на электроде; хс - емкостное сопротивление ограничивающего конденсатора; /?рс::,Тр - внутреннее сопротивление резонансного трансформатора.

Т.к. хс » йрез.тр.' т0 внутренним сопротивлением резонансного трансформатора можно пренебречь и, с учетом формул 5 и 6, емкостное сопротивление ограничивающего конденсатора будет равно:

Ц2'Т/°я е~а Ла х — _

с дт-срал3/2

Емкость ограничивающего конденсатора будет равна (рисунок 7):

Р _ 2л/ДТСрК-713/2

с =

2тг/[/2

Ц2,Т1'/°Д е~а2йа ' ас

(7)

(8)

Таким образом, зная необходимую эффективную мощность холодноплаз-

менного разряда, можно рассчитать электротехнические параметры холодно-плазменного электрокоагулятора для заданного времени обработки, которое, в среднем для установленных режимов, составляет 1...5 сек/см2.

В третьей главе «Обоснование и разработка основных элементов системы электрофизического обеззараживания некротических поражений», на основании теоретических расчетов, проведен расчет электротехнических параметров системы электрофизического обеззараживания кожного покрова КРС. Произведена разработка холодноплазменного электрокоагулятора, а также проведены серии экспериментов для подтверждения теоретических расчетов.

Основными элементами разрабатываемой системы электрофизического способа обработки биологических тканей является высокочастотный генератор, задающий частоту коагулирующего тока, и резонансный повышающий трансформатор, создающий потенциал необходимый для возникновения электрической дуги.

Сопротивление провода обмоток трансформатора переменному току возрастает с ростом частоты, что обусловлено поверхностным эффектом, суть которого состоит в том, что ток протекает не по всему сечению проводника, а по кольцевой части поперечного сечения _кэф. Из-за этого для высокочастотных трансформаторов существует ограничение по диаметру обмоточных проводов, обусловленное наличием поверхностного эффекта:

йр <2- хЭф. (10)

Для частоты 20...30 кГц максимальный диаметр провода составляет ^<0,23 мм, поэтому для намотки резонансных трансформаторов был выбран провод диаметром 0,15 мм.

Учитывая приведенный тепловой баланс (рис. 2), необходимая мощность на электроде будет равна: 10 Вт - для глубокой обработки, 5 Вт - для обеззараживающей и 3 Вт - для деликатной обработки. Такую мощность можно получить от резонансного трансформатора с выходным напряжением, соответственно: 5000 В, 4000 и 2500 В. Выходная мощность повышающего трансформатора ограничивается ёмкостью между обмотками С (рис. 7). Из-за того, что на этой емкости теряется часть энергии, КПД таких трансформаторов составляет примерно 45 %.

По рассчитанным параметрам был разработан двухрежимный холодно-плазменный электрокоагулятор для проведения деликатной обработки биологических тканей на небольшой глубине - 0,07 и 0,15 см.

Разработанный холодноплазменный электрокоагулятор (рис. 9) состоит из следующих основных боков:

- блок преобразователя напряжения;

- блок плазмогенерирующей головки на основе резонансного трансформатора.

Преобразователь напряжения и блок плазмогенерирующей головки соединены между собой высоковольтным изолированным проводом.

Технические характеристики созданного холодноплазменного электрокоагулятора приведены в табл. 3.

Таблица 3. Технические характеристики холодноплазменных электрокоагуляторов

Название коагулятора Холодноплазменный электрокоагулятор для режима деликатной обработки Холодноплазменный электрокоагулятор для режима обеззараживания Холодноплазменный электрокоагулятор для глубокой обработки

Максимальная потребляемая мощность, Вт 10 11 26

Рабочая частота, кГц 24 28 23

Выходное напряжение, В 1800/2500 4000 5000

Масса преобразовательного блока, кг 0,5 0,4 0,42

Габаритные размеры, мм 180x85x45 160x90x50 135x100x55

Электрическая схема преобразователя холодноплазменного электрокоагулятора спроектирована таким образом, что имеется возможность ступенчато регулировать подводимую мощность. Это изменяет глубину обработки ткани, которую можно регулировать также экспозицией, т.е. временем воздействия. Преобразователь напряжения имеет переключатель мощности (деликатная обработка и сверх деликатная обработка), световую индикацию для выбора и контроля требуемого режима работы холодноплазменного электрокоагулятора в зависимости от характера выполняемой операции.

На основе холодноплазменного электрокоагулятора для проведения деликатной обработки был разработан холодноплазменный электрокоагулятор для обеззараживающей обработки (рис. 10) с плавной регулировкой выходного напряжения и блоком автономного питания.

Эффективная тепловая мощность холодноплазменного разряда данного электрокоагулятора соответствует обеззараживающей обработки ран, остановки кровотечений, удаления тканевых новообразований. Структурная схема представлена на рис. 7.

Сеть .

220 В •

Выпрямитель-зарядное устройство

Регулятор напряжения

ЯНН

Аукум. батарея

Преобразователь напряжения

Ограничивающий конденсатор

Рис. 7. Структурная схема холодноплазменного электрокоагулятора для режима обеззараживания

Электрическая схема холодноплазменного электрокоагулятора состоит из зарядного устройства, никель-кадмиевой аккумуляторной батареи напряжением 7,2 В и емкостью 2300 мА-ч, импульсного повышающего регулятора напряжения, звукового сигнализатора разряда батареи и преобразователя напряжения на основе двухтактного автогенератора с выходом на плазмогенерирующую головку Тр1. Резонансная частота плазмогенерирующей головки 28 кГц. Технические характеристики импульсного регулятора напряжения и холодноплазменного электрокоагулятора приведены в табл. 3.

Также данную модель можно использовать при хирургических операциях для коагуляции тканей, состоящих из системы клеток, неклеточных структур, кровеносных и лимфатических сосудов. Применение холодноплазменного электрокоагулятора позволяет добиться свертывания крови и лимфы при локальном повышении температуры.

Для глубокой обработки была разработана еще одна экспериментальная модель холодноплазменного электрокоагулятора, в которой резонансный выходной трансформатор размещен в корпусе преобразователя напряжения. Это связано с тем, что оператору необходимо было держать в руке высоковольтный высокочастотный трансформатор, который имеет значительную массу и нагревается в процессе работы. В этой модели плазмогенерирующая головка содержала высоковольтный ограничивающий конденсатор С2 и подключалась к преобразователю напряжения экранированным кабелем.

Данная модель имела выходное напряжение 5000 В и обеспечивала 10 Вт эффективной тепловой мощности. Такая мощность необходима, чтобы проводить более глубокую обработку отмерших тканей копыт после механической очистки. Повышенное выходное напряжение необходимо для создания устойчивой дуги, т.к. копыта - это плохо проводящий материал. Структурная схема данного коагулятора представлена на рис. 8.

Рис. 8. Структурная схема холодноплазменного электрокоагулятора для режима глубокой обработки

Рис. 9. Внешний вид холодноплазменного электрокоагулятора для режима деликатной обработки биологических тканей

Рис. 10. Внешний вид холодноплазменного электрокоагулятора для режима обеззараживания

В связи с тем, что мощность у этой модели повышена в 2,5 раза, резонансный повышающий трансформатор через 25 мин непрерывной работы перегревается и может выйти из строя. Для исключения этого в схеме холодноплаз-менного электрокоагулятора предусмотрен таймер, который отключает преобразователь частоты через 20 мин непрерывной работы.

Технические характеристики холодноплазменного электрокоагулятора для глубокой обработки приведены в табл. 3.

После изготовления все модели холодноплазменных электрокоагуляторов были испытаны в лабораторных условиях на соответствие расчетным параметрам.

В четвёртой главе «Испытания и внедрение системы электрофизического обеззараживания некротических поражений» приведены результаты испытаний и дана оценка экономической эффективности применения холодноплазменного электрокоагулятора.

Производственные испытания были произведены на животноводческой ферме ООО «РусМолоко, отделение Торгашинское» и ООО «Агрокомплекс «Истье». В ходе эксперимента производилась обработка после хирургической очистки от некротического очага поверхности копытца у пяти коров холодно-плазменным электрокоагулятором с режимом глубокой обработки и холодно-плазменным электрокоагулятором с режимом обеззараживания.

В ходе опыта были получены данные, которые послужили основой составления методики по применению холодноплазменного электрокоагулятора для процедуры обеззараживания.

В методике указаны рекомендации по выбору оптимальной мощности для термического обеззараживания, временной экспозиции обработки, описан поэтапно принцип лечения с применением холодноплазменного электрокоагулятора.

Лечение некротических поражений с применением холодноплазменного коагулятора начинается с удаления загрязнений копытца, затем проводят хирургическую обработку некротического очага заболевания с удалением омертвевших тканей. После операции проводят термическую обеззараживающую обработку и накладывают повязку с марлевым тампоном.

Повторную обработку необходимо проводить через день, вплоть до появления характерных признаков выздоровления, спада отека, нормализации температуры, прекращения гнойных выделений.

Период процесса выздоровления с применением химиотерапевтических средств обработки у КРС при поражении дистальных отделов конечностей нек-робактериозом в копытной форме составляет, в среднем, 14 дней, с заживлением послеоперационной травмы на И день. Среднее количество проведенных

18

обработок -11, средняя продолжительность одного сеанса обработки - 1 час.

Период процесса выздоровления с применением холодноплазменного электрокоагулятора, при лечении некробактериоза в копытной форме у КРС, составляет, в среднем, 10 дней, с заживлением послеоперационной травмы на 8 день. Среднее количество проведенных обработок в период одного лечения - 3, средняя продолжительность одного сеанса обработки - 1 час.

После испытаний комиссией было рекомендовано внедрение данной технологии и даны дальнейшие рекомендации.

Расчеты экономического эффекта сделаны на основе проведенных экспериментальных испытаний холодноплазменного электрокоагулятора и статистических данных по лечению некробактериоза в копытной форме на животноводческих хозяйствах. При расчетах экономической эффективности сравниваются среднестатистические затраты, при проведении процедуры лечения с применением химиотерапевтических средств и с применением холодноплазменного электрокоагулятора для лечения некробактериоза в копытной форме у КРС.

Расчет сделан для хозяйства среднего размера на 200 голов, с учетом частоты заболеваемости в среднем 11-12 голов КРС в год.

Расчетные данные приведены в табл. 4.

Таблица 4. Данные для оценки экономического эффекта

Метод лечения Затраты на внедрение, рублей. Период одного лечения, дней. Затраты при проведении лечения за один период, рублей. Затраты при лечении в течение расчетного периода применения(1 год), рублей. Общие затраты хозяйства на внедрение и лечения за расчетный период, рублей.

Лечение с применением холодноплазменного электрокоагулятора 10120 10 2068 22368 32488

Лечение с применением химиотерапевтических средств 0 14 3600 43200 43200

Экономический эффект за расчетный период в среднем составляет 10712 рублей. Рентабельность за расчетный период составила 0,27. Срок окупаемости составил 6 месяцев.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Проведенный анализ существующих методов и средств послеоперационной обработки биологических тканей позволил обосновать актуальность применения системы электрофизического лечения при некротических поражениях дистального отдела КРС. Установлено, что перспективным направлением является применение термической обработки, позволяющей обеззараживать поверхность биологических тканей, останавливать кровотечение, удалять остатки некротических очагов поражений без применения химиотерапевтиче-ских средств.

2. Разработана математическая модель, позволяющая обосновать контролируемые и регулируемые параметры процесса термического обеззараживания биологических тканей, установить эффективную тепловую мощность и электротехнические параметры для холодноплазменного электрокоагулятора.

3. Режим работы холодноплазменного электрокоагулятора «Глубокая обработка - термическая обработка биологических тканей высокой интенсивности» имеет следующие электрофизические характеристики: эффективная тепловая мощность составляет 5 Вт, выходное напряжение трансформатора - 5000 В, частота электрического тока - 23 кГц. Время обработки 1 см2 поверхности для режима работы «глубокая обработка» составляет 6 секунд.

4. Режим работы холодноплазменного электрокоагулятора «Обеззараживающая обработка - термическая обработка биологических тканей средней интенсивности» имеет следующие электрофизические характеристики: эффективная тепловая мощность составляет 2,5 Вт, выходное напряжение трансформатора - 4000 В, частота электрического тока - 28 кГц. Время обработки 1 см2 поверхности для режима работы «обеззараживающая обработка» составляет 5 секунд;

5. Режим работы холодноплазменного электрокоагулятора «Деликатная обработка» имеет следующие электрофизические характеристики: эффективная тепловая мощность составляет 1,5 Вт, выходное напряжение трансформатора-2500 В, частота электрического тока - 24 кГц. Время обработки 1 см2 поверхности для режима работы «деликатная обработка» составляет 3 секунды.

6. Результаты испытаний на животноводческих хозяйствах показали сокращение срока лечения некробактериоза, по сравнению с существующим методом лечения с применением химиотерапевтических средств на 41 %.

7. Годовой экономический эффект от внедрения предложенного оборудования для электрофизического лечения копытной формы некробактериоза в животноводческом хозяйстве КРС на 200 голов составляет 10712 рублей.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях

В изданиях из перечня ВАК:

1. Прошкин, Ю.А. Устройство для профилактики и лечения копыт крупного рогатого скота [Текст] / Л.Ю. Юферев, Ю.А. Прошкин // Техника в сельском хозяйстве. - М., 2010. -№5. - С. 39-40.

2. Прошкин, Ю.А. Точечное тепловое воздействие холодноплазменного электрокоагулятора для ветеринарии и экономический эффект от его применения [Текст] / Ю.А. Прошкин, Л.Ю. Юферев // Ветеринария и кормление. - М., 2013.- №2.-С. 34-36.

3. Прошкин, Ю.А. Энергосберегающие системы транспортировки электроэнергии [Текст] / Шахраманьян М.А., Стребков Д.С., Л.Ю. Юферев, Ю.А. Прошкин // Альтернативная энергетика и экология. - Саров: Научно-технический центр "TATA", 2012. -№11. - С. 120-122.

В изданиях:

4. Прошкин Ю.А. Устройство для профилактики и лечения копыт КРС [Текст] / Л.Ю. Юферев, Ю.А. Прошкин // Труды ВИЭВ. - Т. 76. -2010. - С. 246-248.

5. Прошкин Ю.А. Устройство для ускорения лечения от некробактериоза копыт крупного рогатого скота / Л.Ю. Юферев, Ю.А. Прошкин // Патент РФ на полезную модель №106546, опубл. 20.07.2011. - Бюл. №20.

6. Прошкин Ю.А. Проектирование преобразователей напряжения для резонансных систем передачи электрической энергии малой мощности. [Текст] / Д.С. Стребков, Л.Ю. Юферев, A.B. Соколов, Ю.А. Прошкин. // Сборник научных докладов ВИМ. - 2010. - Т. 2. - С. 332-340.

7. Прошкин Ю.А. Способ электрофизической профилактики и борьбы с болезнями копыт крупного рогатого скота [Текст] / Л.Ю. Юферев, Ю.А. Прошкин // Труды 7-й международной научно-технической конференции "энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве". — М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010.- Т.З.- С. 285-287.

8. Прошкин Ю.А. Устройство для электрофизической профилактики и борьбы с болезнями копыт крупного рогатого скота [Текст] / Л.Ю. Юферев, Ю.А. Прошкин И Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. - Подольск: ГНУ ВНИИМЖ. - 2010. - Т. 21.-№2.-С. 201-204.

9. Прошкин Ю.А. Применение холодноплазменного электрокоагулятора при лечении копыт КРС [Текст] / Л.Ю. Юферев, Ю.А. Прошкин // Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы инфекцион-

21

ных болезней молодняка и других возрастных групп СХ животных, рыб и пчел». - М.:, 2011. - С.290-292.

10. Прошкин Ю.А. Применение холодноплазменного электрокоагулятора при лечении копыт КРС [Текст] / Ю.А. Прошкин// Материалы II международной научно-практической конференции «Молодежная наука - как взгляд в будущее». - Оренбург: ФГБОУ ВПО Оренбургский ГАУ.-2011.-С. 185-188.

11. Прошкин Ю.А. Электрофизическое устройство для профилактики и ускорения лечения Некробактериоза у КРС [Текст] / Ю.А. Прошкин, Л.Ю. Юферев // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. - Подольск: ГНУ ВНИИМЖ. - 2011. - Т. 22. - № 2. - С. 229-234.

12. Прошкин Ю.А. Точечное тепловое воздействие холодноплазменного электрокоагулятора [Текст] / Ю.А. Прошкин, Л.Ю. Юферев // Труды 8-й международной научно-технической конференции "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве" - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2012. - Т. 3. - С. 75-78.

13. Прошкин Ю.А. Холодноплазменный электрокоагулятор для профилактики и лечения некробактериоза у КРС [Текст] / Ю.А. Прошкин, Л.Ю. Юферев //Инновации в сельском хозяйстве - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2012 г. -№1. - С.20-23.

14. Прошкин Ю.А. Тепловой расчет воздействия холодноплазменного электрокоагулятора [Текст] / Ю.А. Прошкин // Инновации в сельском хозяйстве -2012 г.-№2.- С.65-68.

Подписано в печать 29.05.2013 г. Формат 60x84/16. Усл.пл. - 1,1. Тираж: 120 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36. (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

кишечного тракта в виде дифтеритического налета и некротических язв; у свиней — некротический ринит и стоматит [37].

Некробактериоз внутренних органов у крупного рогатого скота, оленей и овец проявляется массовыми абсцессами печени. При этом характерных клинических признаков, как правило, не наблюдают, однако больные животные сильно угнетены, отказываются от корма, быстро худеют, залеживаются, стонут при попытках вставать и передвигаться. Может повышаться температура тела [37].

Патологоанатомические изменения. При некробактериозе конечностей помимо видимых поражений в области копыт отмечают гнойные артриты, тендовагиниты, скопление гнойного ихорозного экссудата в межмышечных пространствах, флегмонозный процесс, крупные абсцессы и некротические очаги в мышцах бедра и таза [37].

При некробактериозе внутренних органов в печени, селезенке и других паренхиматозных органов находят абсцессы различной величины, содержащие сметанообразную или творожистую гнойную массу, или некротические очаги. Часто отмечают гнойно-некротическую пневмонию, охватывающую почти все легкие, гнойный плеврит, перикардит, а также перитонит [37].

Естественный иммунитет при переболевании некробактериозом практически не вырабатывается. Для вынужденной иммунизации применяют инактивированные вакцины, зарегистрированные и разрешенные к применению [37].

При расчистке следует учитывать форму копытца, которая определяется результатами баланса роста и стирания. Рост рога идет приблизительно 5 мм в месяц. При этом зацеп имеет тенденцию стираться медленнее, так как он тверже, а пятка (мякиш) - быстрее, так как рог более мягкий. Чрезмерно быстрый рост приводит к образованию слишком длинного копытца и зацепа (угол зацепа очень небольшой). Соотношение высоты стенки и мякиша должно составлять 2 : 1 [44].

Копытца у крупного рогатого скота обрезают так, чтобы не нарушалась естественная для данного животного постановка конечностей. Для этого перед расчисткой определяют постановку конечностей и оси пальца [45-46].

Э. Краль [47] подчеркивал, что роговая подошва должна расчищаться так, чтобы основа кожи на нижней стороне копытца была всюду покрыта слоем рога равномерно. Так образуется горизонтальная поверхность, на которую животное наступает. Только один участок подошвы у ее внутреннего края должен быть слегка углублен.

В.Б. Борисевич [48] сообщал, что при расчистке копытцев следует добиваться равномерного распределения нагрузки на подошвенную поверхность копытцевых стенок, исключая излишнее обременение мякишей.

Своевременная расчистка и обрезка копытцев - важное звено в профилактике ортопедической патологии, обеспечивающее нормализацию анатомо-морфометрических параметров, биомеханики копытцев и статодинамическую функцию конечностей. Для расчистки копытцев крупного рогатого скота используют копытные клещи, рашпили, копытные ножи, секачи, а также специальные ножницы с длинными рычажными рукоятками.

Расчистка копытцев у коров - процесс очень трудоемкий. Следует отметить, что они хуже, чем лошади, уравновешиваются на трех конечностях, а при расчистке каждую поочередно приходится поднимать [49].

У больных коров с ортопедической патологией конечностей, и в

26

Холодноплазменный электрокоагулятор является наиболее оптимальным выбором при осуществлении обработки тканей с некротическими поражениями, так как сочетает в себе все плюсы электрокоагулятора, при этом избавлен от его главного недостатка, наличия второго контакта и от протекания тока через биологические ткани.

Существующие модели холодноплазменного электрокоагулятора на данный момент используемые в ветеринарии не предназначены для обработки тканей при лечении некротических поражений пальцев и копытец у КРС, а также по причине малой эффективной тепловой мощности не смогут обеспечить необходимого уровня обработки.

2.1 Математическая модель эффективности обработки биологических тканей системой электрофизического обеззараживания некротических поражений

Процесс обработки тканей холодноплазменным коагулятором является тепловым процессом, в данном разделе приводится обоснование процесса обеззараживания тканей с помощью локальной тепловой обработки, изложены теоретические исследования процесса распределения тепла электродугового разряда, приведена математическая модель процесса обеззараживания биологических тканей локальным термическим воздействием, произведен расчет электротехнических характеристик холодноплазменного электрокоагулятора и определение времени обработки.

Закон теплопроводности (закон Фурье). Закон теплопроводности [64] устанавливает количественную связь между теплопроводностью материала, градиентом температуры и тепловым потоком в твердом теле, и для одномерного температурного поля выглядит следующим образом:

<1(2 х = -А^РЛ, (1)

где с1()х - теплота, передаваемая посредством теплопроводности через площадь г за время 1:Д- теплопроводность, -— градиент температуры.

их

Схематизация источника теплоты в холодноплазменном коагуляторе.

В холодноплазменном коагуляторе источником тепла является плазма, возникающая в результате электрического разряда переменного тока на частоте 20-30 кГц между электродом и телом.

Распределение теплового потока описывается кривой Гаусса (нормальным законом) [65]:

Чг = Чгте кг\

(2)

■

усложнением расчетов, для определения эффективного к.п.д. процесса нагрева берут стандартную форму распределения тепловых потоков для электроплазменной дуги (рисунок 18) [66]:

Биологическая ткань

Рисунок 18 -Тепловой баланс для электроплазменной дуги

По времени действия различают источники мгновенные, выделяющие теплоту за очень малый промежуток времени, и непрерывно действующие.

В зависимости от размера зоны, в которой выделяется теплота, различают источники сосредоточенные и распределенные. Сосредоточенные источники могут быть точечными (теплота выделяется в очень малом объеме), линейными (теплота выделяется по линии) и плоскими (теплота выделяется в плоскости).

Холодноплазменный коагулятор является точечным источником тепла, по времени работы может быть как мгновенным, так и непрерывно действующим.

Указанные выше допущения для холодноплазменного коагулятора позволяют получить теорию распределения температуры при нагреве. Эта теория хорошо отражает качественную картину, а в ряде случаев дает также и достаточную для технических расчетов точность описания процессов обработки тканей.

Для холодноплазменного коагулятора во время обработки поверхности существуют три варианта состояния источника теплоты [67]:

- сосредоточенный точечный источник тепла мгновенного действия;

- сосредоточенный точечный источник тепла продолжительного действия;

-движущийся сосредоточенный точечный источник тепла продолжительного действия.

Указанные выше ограничения позволяют с помощью аппарата математической физики получить аналитические решения дифференциального уравнения теплопроводности в простейших случаях нагрева бесконечных тел мгновенными источниками тепла (температурное поля от мгновенных источников), т.е. источниками, вводящими тепло в тело за бесконечно малый промежуток времени.

Аналитическое решение уравнения теплопроводности для мгновенного точечного источника в бесконечном теле получаем следующим образом - для уравнения (1) берем случай, когда мгновенный точечный источник тепла в момент времени ¿=0, в точке с К=0 сообщает бесконечному телу количество тепла О,, уравнение выглядит следующим образом [68]:

где ЛТ - приращение температуры в рассматриваемой точке с координатами х, у, г; I — время, отсчитываемое с момента введения теплоты,

(4)

Я - расстояние до рассматриваемой точки от начала координат,

При (=0 во всех точках, где Д^О, имеем йТ=0. В точке Я=0 при ¿=0 имеем ЛГ->оо. В правильности выбора постоянного множителя в уравнении (4) можно убедиться путем вычисления интеграла, выражающего полное количество введенной теплоты во всем объеме бесконечного тела. Это количество в любой момент времени равно (), так как тело в данном случае не отдает теплоты в окружающее пространство.

Для холодноплазменного коагулятора практический интерес представляет не распространение тепла выделившегося внутри бесконечного тела, а случай, когда тепло выделяется на поверхности тела, так как размеры обрабатываемой области довольно малы, тело следует принимать как полубесконечное.

Если границу тела хОу принять слабо пропускающей теплоту, то в основном теплота распространяется только в одну сторону от плоскости хОу, процесс будет выражаться уравнением (4) с заменой в нем величины <2 величиной 20;.

Теплоотдачей с поверхности хОу можно пренебречь, потому что распределение теплоты в полубесконечном теле в основном зависит от распространения ее путем теплопроводности вглубь тела, а не от теплоотдачи. Теплоотдача с поверхности, безусловно, оказывает некоторое влияние на распределение температуры, но в данном случае можно не учитывать.

В качестве обрабатываемого тела берем кожный покров КРС, для проведения расчетов принимаем следующие теплофизические характеристики (таблица 4) [69].

располагающегося в месте, где была введена теплота Я = л/х2 + у2 + г2.

(5)