автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование системы водоснабжения доильной установки УДС-ЗА

/

Диссертация Щербины Сергея Витальевича защищена на заседании диссертационного совета К120.13.01 в Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии 28 июня 1999 года (протокол № 11)

Ученый секретарь диссовета К 120.13.01, к.т.н., доцент

М.А. Юндин

АЗОВО-ЧЕРНОМОРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОИНЖЕНЕРНАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

Щербина Сергей Витальевич

ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ДОИЛЬНОЙ

УСТАНОВКИ УДС-ЗА

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного

производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор И.Н.Краснов

Научный консультант кандидат технических наук доцент И.В. Капустин

Зерноград 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...... 9

1.1 Роль системы водоснабжения доильных установок в повышении качества молока................................................................. 9

1.2 Анализ технологических линий подмывания вымени животных

на доильных установках и агрегатах....................................... 11

1.3 Режимы мойки и дезинфекции вымени и основные требования, предъявляемые к ним.......................................................... 13

1.4 Анализ системы водоснабжения доильной установки УДС-ЗА...... 15

1.5 Анализ исследований по регулировке температуры воды

в системе водопровода.......................... '.V........................... 18

1.6 Объект исследования......................................................... 20

1.7 Цель и задачи исследования................................................. 25

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ УДС-ЗА................................................... 28

2.1 Общие закономерности очистки вымени от загрязнений перед машинным доением........................................................... 28

2.2 Анализ режимов течения воды в системе водоснабжения УДС-ЗА........................................................................... 36

2.3 Основные закономерности организации технологического процесса очистки вымени коров на УДС-ЗА........................ 37

2.4 Анализ работы диафрагменного насоса системы

водоснабжения УДС-ЗА...................................................... 40

2.5 Обоснование вместимости агрегата водоснабжения

доильной установки.......................................................... 45

2.6 Исследование теплопотерь в системе водоснабжения УДС-ЗА.... 48 2.6.1 Анализ температурного режима в тупиковой линии

водоснабжения серийной установки УДС-ЗА........................ 48

2.6.2 Распределение температуры воды в циркуляционной системе водоснабжения УДС-ЗА.................................................. 52

2.6.3 Стабилизация температуры воды в системе подмывания вымени коров УДС-ЗА................................................... 55

2.7 Анализ работы пневморегулятора температуры воды............. 57

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................. 63

3.1 Общая программа и методика исследования........................... 63

3.2 Описание приборов и экспериментальной установки................. 64

3.3 Частные методики экспериментальных исследований................ 71

3.3.1 Методика определения физических показателей моющих средств и загрязнений вымени............................ 71

3.3.2 Методика оптимизации режимов очистки вымени коров........ 74

3.3.3 Методика определения теплопотерь в системе водоснабжения.............................................................. 77

3.3.4 Методика оптимизации струйного пневматического регулятора.................................................................... 79

3.3.5 Методика определения качества очистки вымени и сосков животного при подготовке к доению.................................. 82

3.3.6 Методика исследования и обоснования параметров насоса-смесителя в режиме очистки вымени..................... 86

3.3.7 Методика определения энергетических показателей процесса очистки вымени................................................ 87

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ УДС-ЗА................................... 90

4.1 Анализ загрязнений вымени коров..................................... 90

4.2 Режимы течения воды в системе водоснабжения УДС-ЗА..... 93

4.3 Качество очистки вымени и сосков коровы при подготовке

к доению......................................................................... 103

4.4 Режимы очистки вымени коров от загрязнений.................... 106

4.5 Удельная энергия адгезии загрязнений вымени к его поверхности..................................................................... 113

4.6 Результаты исследования и обоснования параметров насоса-смесителя............................................................... 114

4.7 Анализ результатов экспериментального исследования температурного режима в системе водоснабжения доильной станции УДС-ЗА............................................................... 119

4.7.1 Анализ результатов исследования температурного режима

в серийной системе водоснабжения УДС-ЗА.................119

4.7.2 Анализ температуры воды в циркуляционной системе подмывания вымени коров доильной станции УДС-ЗА........... 123

4.7.3 Анализ тепловых потерь в системе подмывания вымени....... 126

4.8 Анализ оптимизации струйного пневматического регулятора..... 128

5. МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................................................... 149

5.1 Методика расчета кольцевой системы водоснабжения УДС-ЗА

с автоматическим регулятором температуры воды.................... 149

5.2 Экономическая эффективность использования результатов исследования.................................................................. 152

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ......................................... 158

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................. 161

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................ 169

ВВЕДЕНИЕ

В экономическом и социальном развитии Российской Федерации важное значение принадлежит сельскохозяйственному производству, повышению эффективности всего аграрного сектора. В этом направлении в настоящее время предстоит предпринять ряд мер по стабилизации положения в агропромышленном комплексе, укреплению материально-технической базы, созданию разветвленной сети перерабатывающих предприятий по обеспечению пропорционального и сбалансированного развития его отраслей.

Несмотря на значительное сокращение производства за последние годы, задача создания современных образцов техники и средств механизации технологических процессов в животноводстве остается актуальной. Необходимы также машины и оборудование, которые отвечали бы требованиям мировых стандартов.

Большого внимания требует развитие молочного животноводства, повышение продуктивности коров и общего производства молока, снижение потерь и повышение качества продукции. При этом задачи науки и практики в области механизации молочного животноводства огромны.

Интенсификация молочного животноводства связана с дополнительными вложениями частных и государственных средств не только на селекцию животных, но и внедрение новой и усовершенствованной техники и технологии, совершенствование форм организации производства и труда /1,2, 3/. Поэтому совершенствование методов использования доильного оборудования, конструкции доильных установок и организации труда на них является одним из приоритетных направлений в развитии молочного животноводства в условиях перехода к рыночной экономике и многоукладности хозяйствования /4,5,6,7/.

В летний период времени во всех хозяйствах зоны Северного Кавказа, Поволжья и других регионов России коровы содержатся в летних лагерях, на выгульных площадках вблизи молочных ферм, реже - на пастбищах. Широ-

кое распространение в этих условиях получили универсальные доильные станции типа УДС-ЗА /8/. К началу 1995 года только в хозяйствах Ростовской области их количество превысило две тысячи штук. Почти половина из них относится к основному варианту исполнения и оборудованы молокопроводом /1/. Для подготовки вымени коровы к доению установки оснащены водопроводной линией с разбрызгивателями, а также агрегатом водоснабжения с прямоточным котлом для подогрева воды и баком холодной воды. Подача воды в линию водопровода осуществляется диафрагменным насосом с пневмоприводом от вакуумной системы.

Технологическая линия подмывания вымени животных на УДС-ЗА имеет ряд существенных недостатков, что снижает эффективность использования их в хозяйствах. По данным наблюдений в системе подмывания вымени коровы не соблюдается температурный режим, что особенно заметно ранней весной и поздней осенью, когда теплопотери в окружающую среду наибольшие. Регулировка температуры воды вручную посредством пробкового крана насоса-смесителя затруднена, а иногда и невозможна. Контроль температуры воды через пробный краник целиком зависит от субъективной оценки проверяющего и, кроме того, не соответствует действительной температуре воды, которая в различных точках водопровода, а тем более у разбрызгивателей значительно ниже, чем в начале водопровода /9/. Тупиковая схема системы водопровода предопределяет наличие застойных участков, в которых вода быстро остывает и не соответствует зоотехническим нормам. Качество обмыва поверхности вымени и сосков животных не соблюдается, что наряду с другими причинами приводит к снижению качества молока. Об этом свидетельствует то, что в 1993 году 21,2 % молока, полученного на установках УДС-ЗА в хозяйствах Ростовской области, принято молочными заводами вторым сортом /1/.

Устранение отмеченных недостатков составляет резерв повышения качества молока, снижения его себестоимости и уменьшения трудозатрат на выполнение технологических операций.

Повышение производительности труда и обеспечение высокого качества получаемого на УДС-ЗА молока путем совершенствования технологического процесса подмывания вымени коров перед доением составляет один из актуальных вопросов молочного животноводства, решению которого посвящена настоящая работа. Вопрос этот является составной частью важной народнохозяйственной проблемы повышения качества и устранения потерь сельскохозяйственной продукции.

Поэтому в задачи исследований входили разработка основ проектирования и расчета системы водоснабжения доильной установки УДС-ЗА, совершенствование технологического процесса удаления загрязнений с поверхности вымени и сосков животных, обоснование системы регулирования и поддержания температурного режима воды в трубопроводе, оптимизация режимов обмывания вымени и параметров узлов и механизмов, а также оценка работы УДС-ЗА в усовершенствованном варианте в условиях опытного производства.

Для проведения экспериментальных исследований разработан ряд приспособлений и приборов, позволяющих определить основные показатели степени очистки поверхности вымени и сосков от загрязнений и пределы варьирования параметров изучаемой системы. На их базе предложена общая и частные методики исследований.

В результате экспериментальных исследований определены пути совершенствования процесса подмывания вымени перед доением, оптимизированы параметры термодатчика, пневмопреобразователя сигнала, регулятора температуры, обоснованы параметры составных частей и системы в целом.

Результаты исследований положены в основу разработки усовершенствованного процесса подмывания вымени коров и поддержания температурного режима в линии водоснабжения доильной установки УДС-ЗА.

По результатам выполненного исследования на защиту выносятся:

- математические модели и алгоритмы определения параметров диа-фрагменного насоса, термодатчика, терморегулятора и смесителя воды;

- теоретическое обоснование вместимости баков агрегатов водоснабжения доильной установки УДС-ЗА и режимов работы линии подмывания вымени коров с циркуляцией воды;

- теоретическое обоснование режимов обмывания поверхности вымени и сосков коров от загрязнений;

- усовершенствованная конструкция системы водоснабжения доильной установки УДС-ЗА;

- режимы работы и оптимальные параметры усовершенствованной системы водоснабжения;

- результаты оценки экономической эффективности системы циркуляционного водоснабжения доильной установки УДС-ЗА.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 РОЛЬ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ДОИЛЬНЫХ УСТАНОВОК В ПОВЫШЕНИИ КАЧЕСТВА МОЛОКА

Система водоснабжения доильных установок предназначена для обмывания наружной поверхности сосков и вымени коров перед доением, прополаскивания доильных аппаратов, узлов и агрегатов молочной линии перед доением, слива остатков молока и удаления загрязнений с поверхности доильных стаканов, коллектора молочных шлангов, молокопровода, охладителя молока, молочного насоса и емкости-накопителя молока после доения, дезинфекции поверхностей указанных узлов и агрегатов. Поэтому система водоснабжения оснащена узлами, устройствами и агрегатами для создания запаса воды (холодной и горячей), подачи холодной или подогретой воды, создания требуемого температурного и скоростного режима, приготовления моющих и дезинфицирующих растворов.

Поступающее на молочные заводы и приемные пункты молоко подразделяется на сорта (таблица 1.1) в зависимости от физико-химических и бактео-рологических показателей /10/. Химический состав его, вкус, запах, наличие патогенных и непатогенных микроорганизмов, а также механическая загрязненность, определяют качество молока и степень его ценности как пищевого продукта и сырья для получения масла, сыра, молочных консервов и кисломолочной продукции /11,12,13,14/.

При машинном доении молоко проходит от сосков вымени коровы через многочисленные узлы доильной установки до молочного танка, каждый из которых оказывает влияние на его качественные показатели. По данным Дж.Девиса /15/, химический состав молока при транспортировании его по мо-локопроводу и шлангам изменяется незначительно, а бактериальная загрязненность быстро увеличивается. Механическая загрязненность в основном зависит

от первоначальных операций, связанных с подготовкой вымени и сосков коровы к доению.

Таблица 1.1

Качественные показатели молока

Наименование показателей Норма для сортов

Высшего Первого Второго

Запах и вкус Свойственные для молока без посторонних запахов и вкусов Допускается слабо выраженный кормовой запах и привкус в зимне-весенний период

Кислотность, 0 пр 16-18 16-18 16-20

Степень чистоты по эталону, не ниже группы I I II

Бактериальная обсемененность, тыс./см3 до 300 300-500 500-4000

Содержание соматических клеток, о тыс./см , не более 500 1000 1000

Исследования Карташевой В.М./16Д7/, Воловенко О.С. /18/, Ardan G.M. идр./19/, BartmannR.. /20/и др./21,11,14,22,23,24/показывают, что чистота и стерильность являются основными факторами в производстве высококачественного молока.

Оценка чистоты доильно-молочного оборудования производится по нормам, утвержденным «Санитарными и ветеринарными правилами для молочных ферм колхозов и совхозов» /25/, а также рекомендациями ВНИИВС (Всероссийский научно-исследовательский институт ветеринарии и санитарии) /17/.

1.2 Анализ технологических линий подмывания вымени животных на доильных установках и агрегатах

Самые простые в конструктивном исполнении технологические линии подмывания вымени животных имеют стационарные доильные агрегаты со сбором молока в ведра - 3 - ТДА, АД-100, АД-100А, ДАС-2Б, М-бЮ(ГДР) и другие /26,27,28,29/.

В первых из них подмывание вымени животных осуществляется с использованием оцинкованного ведра (подойника), закрепленного за каждой дояркой. Для подмывания вымени коровы доярка заливает в ведро подогретую воду (40 - 45° С), вручную обмывает поверхность вымени и сосков, обтирает их салфеткой (полотенцем), периодически меняя воду в ведре. Этот способ обмывания вымени животных довольно трудоемок и требует больших затрат времени. Качество обмытых поверхностей вымени и сосков животных полностью зависит от добросовестности работы доярки, т. к. основными влияющими на них факторами являются тщательность обмывания, чистота используемых воды и салфетки.

В стационарных доильных установках с молокопроводом (АДМ-8, АДМ-12) для доения коров в стойлах коровника используется та же ручная технология подмывания вымени животных с использованием подойника с полотенцем.

Более механизирована операция подмывания вымени животных перед доением в доильных установках для доения коров в доильных залах УДЕ-8, УДТ-8, а также в автоматизированных установках УДА-16А и УДА-8А со станками типа елочка и тандем. Механизирована подача теплой воды к выме-

ни животных специальным трубопроводом, на котором устанавливаются разбрызгиватели. Разбрызгиватели известны двух типов: пистолетный и поворотный - в зависимости от конструкции запирающего устройства.

Установки, предназначенные для доения коров в доильных залах, подключаются к стационарной водопроводной сети, оснащаются нагревателями с автоматизированным регулированием температуры воды. Нагреватели воды используются во время дойки коров для поддержания температурного режима в системе трубопровода с разбрызгивателями, а после дойки работают в системе циркуляционной промывки доильного и молочного оборудования. В режиме подмывания вымени скоростной напор воды зависит от дав