автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности машинного доения коров путем совершенствования технических средств и эксплуатационных режимов работы доильных установок

На правах рукописи Квашснников Василий Иванович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАШИННОГО ДОЕНИЯ КОРОВ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДОИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства 05.20.03 — эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт - Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт - Петербургском государственном аграрном университете.

Научный консультант - член - корреспондент Академии аграрного образования , доктор технических наук, профессор Барсов Н.А.

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Давидсон Е.И.;

доктор технических наук Ковальчук Ю.К.;

доктор технических наук Рядных В.В.

Ведущая организация - Оренбургский научно-исследовательский институт сельского хозяйства.

Защита состоится " 3 " июл-Д. 199 & г. в 14 5-2. на заседании диссертационного совета Д 120.37.04 в Санкт - Петербургском государственном ахрарном университете по адресу: 189620, Санкт-Петербург -Пушкин, Петербургское шоссе, 2, ауд. 719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт — Петербургского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан *сл.а,А. 199 8 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Анализ научных исследований, проведенных сак в нашей стране, так и за рубежом, анализ широкого производственного )пыта эксплуатации доильных установок, собранного нами за последние 20 ют показывает, что машинное доение коров нередко оказывается неэффективным. Основными последствиями неэффективной работы доильных уста-ювок является:

- падение продуктивности животных из-за неполного выдаивания и заболевания коров маститом;

- преждевременная выбраковка животных из-за заболевания маститом тяжелых форм;

- снижение качества молока;

- повышение удельного расхода материальных и энергетических ресурсов на доение коров.

Из вышеназванного анализа можно так же сделать вывод о том, что гредвидеть, прогнозировать причины перечисленных негативных явлений в фоцессе эксплуатации доильных установок чрезвычайно сложно или даже (евозможно, так как отсутствует методика и приборное обеспечение оценки ффективности функционирования системы машинного доения коров в хо-яйственных условиях по результатам каждой дойки. Это зачастую приводит : тому, что негативные явления возникают неожиданно и для их устранения ребуются экстренные, дорогостоящие меры. Поэтому весьма важной и акту-льной является проблема контроля качества функционирования системы гашинного доения коров (СМДК), прогноза ее поведения, проблема повышения функциональной и экономической эффективности машинного доения оров.

Цель исследования - обоснование и разработка научно - методических снов, критериев и методов, позволяющих оценить качество функциониро-ания системы машинного доения коров (СМДК) на линейных доильных ус-ановках с молокопроводом, повышение функциональной и экономической ффективности использования доильных установок. Научную новизну работы составляют:

- методология системного подхода к рассмотрению, изучению и контролю качества функционирования системы машинного доения коров (СМДК);

- математическая модель функционирования СМДК;

- методика моделирования на ЭВМ процесса функционирования СМДК;

- методика моделирования на ЭВМ интенсивности потока молока в моло-копроводе при работе оператора с п доильными аппаратами;

- методика проектирования на ЭВМ централизованных вакуумных систем крупных молочных ферм;

- математические модели функционирования новых приборов и технических устройств линии доения;

- комплект алгоритмов и программ для ПЭВМ проектирования и анализа технических средств и моделирования СМДК;

- комплект научно - технических разработок для модернизации линии доения;

- методы инженерного расчета устройства защиты молочной железы (УЗМЖ) от вредного воздействия вакуума при холостом доении;

- результаты проверки в производственных условиях основных положений диссертации, их эффективность.

Практическая ценность. Выбраны числовые критерии и разработана методика контроля функциональной эффективности работы линейных доильных установок с молокопроводом в условиях хозяйственной эксплуатации. Разработаны методика анализа на ПЭВМ работы оператора машинного доения коров, позволяющая оценить качество его работы, методики инженерного расчета оборудования, позволяющего повысить производительность труда операторов машинного доения с одновременным повышением защитной способности доильного оборудования от вредных воздействий вакуума на молочную железу, снизить погрешность учета группового надоя, снизить затраты тепловой и электрической энергии на процесс машинного доения.

Реализация результатов исследования. Материалы исследований включены в «Рекомендации мастеру машинного доения коров», Ленинград, 1979, в учебное пособие «Эксплуатация технологического оборудования ферм и комплексов» - два издания (1980, 1986), в учебный кинофильм «Доильные установки», киностудия Леннаучфильм, 1988, в рекомендации «Тестирование доильных установок», Санкт-Петербург, 1996.

Рекомендации используются на фермах Ленинградской и Оренбургской областей, учебное пособие «Эксплуатация технологического оборудования ферм и комплексов», демонстрировавшееся на ВДНХ СССР в 1987 г., применяется в сельскохозяйственных ВУЗах стран СНГ, техникумах и училищах (лицеях) системы профтехобразования стран СНГ.

Новизна отдельных положений подтверждена тремя авторскими свидетельствами на изобретение и одним патентом.

Апробация. Основные положения работы доложены, обсуждены и одобрены в 1972 - 1997 гг. на Всесоюзных симпозиумах по машинному доению сельскохозяйственных животных (Боровск, 1974; Таллин, 1983; Ленинград, 1988; Оренбург, 1995; Оренбург, 1997), на Всесоюзной научно-технической конференции (Москва, 1990), на научно-практических конференциях и семинарах Ленинградской областной организации общества «Знание» РСФСР, на заседаниях технического совета Производственного управления сельского хозяйства Леноблисполкома, на научно-технических конференциях ЛСХИ, СПбГАУ, на технических конференциях и семинарах специалистов отдельных районов Ленинградской области в 1973... 1993 гг. Принципиальные по новизне технические решения внедрены в производство положительным экономическим эффектом.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 44 работах.

Объем работы. В диссертации 428 страииц, в том числе 98 страниц риложений. Она состоит из введения, 7 разделов, основных выводов и пред-ожений. В составе диссертации имеется 54 рисунка, 21 таблица и список спользованной литературы, включающий 182 наименования, из которых 5 а иностранных языках.

Содержание работы

Во «Введении» обоснована актуальность проблемы и изложены основ-ые положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние проблемы и задачи исследования» на

снове анализа литературных источников и производственного опыта экс-луатации доильного оборудования на молочных фермах и комплексах рас-мотрены результаты исследований технологии и технических средств машинного доения коров.

Исследования процесса машинного доения коров и его особенностей, роведенные в нашей стране, свидетельствуют о том, что машинное доение оров нередко оказывается неэффективным и приводит к снижению продук-ивности животных, ухудшению качества молока, увеличению себестоимо-ти продукции. Оценить, однако, эффективность машинного доения какими-о конкретными, легко контролируемыми показателями, сегодня не пред-тавляется возможным. Отсутствует методология оценки эффективности, чи-ловые критерии, средства приборного контроля эффективности в условиях аждой дойки. Все это не позволяет вести оперативный контроль за качест-ом работы доильных установок, выполнять сравнительные испытания раз-ичных типов доильных установок и машинных технологий, определять пер-пективные направления совершенствования доильных машин и машинных ехнологий.

Научной основой настоящего исследования явились труды ведущих 'ченых по фундаментальным и прикладным аспектам механизации сельско-озяйственного производства JI.E. Агеева, A.A. Артюшина, H.A. Барсова, >.И. Вагина, Э.К. Вальдмана, Т.К. Городецкой, В.П. Горячкина, Е.И. Давид-она, С.А. Иофинова, Л.П. Карташова, Л.П. Кармановского, Э.П. Кокориной, 5.Ф. Королева, B.C. Краснова, А.Б. Лурье, М.М. Луценко, C.B. Мельникова, 1.И. Огородникова, H.A. Петухова, B.C. Сечкина, В.Ф. Скробача, С.А. Со-¡овьева, Ю.А. Цоя и других. Под руководством автора в выполнении отельных этапов работы принимали участие аспиранты Круглов С.А., Иваньков П.В., инженер Мирзалиева Л.М. Всем им автор выражает искреннюю ¡лагодарность. Огромную благодарность и признательность автор выражает

Свашенниковой Е.Е|., внесшей неоценимый вклад в компьютерное обеспече-ше работы.

Анализ научных публикаций показал, что наряду с глубокими исследо-13ниями машинных технологий доения, анализа особенностей функциониро-(ания сложной биотехнической системы машинного доения коров имеется >яд нерешенных проблем, не позволяющих эффективно использовать доильное установки. По отдельным вопросам среди исследователей нет единого тения, а в отдельных случаях имеют место противоречивые толкования

(вопросы эффективности функционирования СМДК в производственных условиях, эргономические аспекты трудовой деятельности операторов машинного доения, вопросы безопасности машинного доения). Выполненные ране« исследования не создают достаточной научной базы для практического решения ряда практических задач, связанных с проблемой эффекта вноси СМДК и сдерживают внедрение ресурсосберегающих технологий и технических решений в машинном доении коров.

Для решения поставленной проблемы предусматривалось выполнение следующих основных задач исследования:

1. Выбрать и обосновать оценочные критерии эффективности функционирования системы машинного доения коров в условиях хозяйственной эксплуатации доильных установок.

2. Разработать методику контроля эффективности функционирования системы машинного доения коров в условиях хозяйственной эксплуатации.

3. Произвести эргономический анализ трудового процесса оператора машинного доения коров.

4. Изыскать и исследовать перспективные технические средства и технологические приемы, повышающие функциональную и экономическую эффективность работы линейных доильных установок, определить технические, конструктивные параметры их рабочих органов с учетом реальных условий работы.

5. Произвести производственную проверку методики контроля качества функционирования системы машинного доения коров и эффективность разработанных средств.

6. Дать экономическую оценку предложенных решений.

Второй раздел «Теоретические основы оценки качества функционирования системы машинного доения коров (СМДК)» посвящен обоснованию и разработке методологии оценки качества функционирования СМДК.

Для выработки общего методологического подхода СМДК разделена на подсистемы, элементы и звенья. Рассмотрены основные особенности СМДК, отличающие ее от других систем обслуживания животных (приготовление и раздача кормов, поение, уборка навоза и т.д.) Таковыми особенностями являются:

- наличие двух биологических подсистем (оператор, животное) и одной технической (доильная установка);

- сменность биологической и технической подсистем в процессе функционирования (смена животных, смена доильных аппаратов при обслуживании оператором п доильных аппаратов);

- функционирование СМДК в условиях воздействия случайных факторов.

Литературный анализ показал, что для оценки эффективности функционирования СМДК различными исследователями предложено несколько десятков показателей, часть из которых комплексные (Л.П. Карташова, Н.А.Петухова).

Исследовать систему с целью прогноза ее поведения с таким количеством показателей эффективности, тем более осуществить приборный контроль

}ффективности функционирования СМДК при производственной эксплуатации по результатам каждой дойки невозможно. На основе анализа предложенных показателей и экспертных оценок в качестве необходимых и достаточных показателей эффективности функционирования СМДК предлагаются ;ледующие: 1) интенсивность поступления молока во время доения от груп-1ы коров, закрепленных за оператором (кг/мин), 2)производительность труда эператора машинного доения (гол/час), 3) длительность простоя оператора в троцессе доения, е., 4) длительность холостого доения, с.

При этом интенсивность поступления молока С во время доения являет-;я обобщающим показателем. Названные показатели эффективности необхо-1имо определять в процессе каждой дойки каждой конкретной группы коров, ¡акрепленной за конкретным оператором, сравнивая их значения с эталонами значениями. Эталонные значения необходимо корректировать по ре-¡ультатам каждой контрольной дойки.

Эталонные значения показателей эффективности можно получить путем математического моделирования функционирования СМДК в условиях, приближенных к идеальным. В качестве математической модели функционирования СМДК следует использовать имитационную модель анализа. Имитационное моделирование наиболее эффективный метод исследования сложных систем, а зачастую единственный практически доступный метод получения информации о поведении сложной системы в условиях воздействия случайных факторов. При этом целесообразно в качестве метода машинной реализации имитационной модели использовать метод статистических испытаний с применением ЭВМ. Хотя в статистическом моде-шровашш модель строится впе рамок оптимизационного процесса, она по-толяет путем перебора и многократного прогона модели оптимизировать эдин из входных параметров, зафиксировав остальные в определенных гра-шцах.

Для получения эталонных значений показателей эффективности функционирования СМДК необходимо рассмотреть характер ее функционирова-шя в условиях, приближенным к идеальным. Функциональная модель 2МДК в производственных условиях и в условиях, приближенным к идеаль-1ым представлена на рисунке 1.

Условия, приближенные к идеальным, следует понимать как условия, 1ри которых:

1. возмущающие факторы отсутствуют;

2. рабочий процесс оператора машинного доения осуществляется в полном соответствии с «Правилами машинного доения коров».

Отсутствие, например, фактора гь (нарушение распорядка дня на ферме) оз-тчает полное соблюдение распорядка дня, г5\ 16 - отсутствие скрытых и яв-шх отказов доильной установки, т.е. техническая подсистема полностью на-;ежна и т.д.

В этих условиях величина выходных параметров С>, П, Р, ХО зависит только от качества функционирования двух биологических подсистем - оператора и животного. Качество функционирования главного биологического

звена - оператора - длительность подготовительных операций, длительность заключительных операций, ритмичность работы - определено нормативным документом - «Правилами машинного доения коров», нормирующим длительность подготовительных операций 40. ..60 с, заключительных до 30 с.

Качество функционирования второго биологического звена (животного) обусловлено функциональными характеристиками животного - длительностью молокоотдачи и динамикой молокоотдачи. определяемыми при контрольных дойках с помощью пишущих приборов.

Г

0

X, СМДК п

---у р

хо ►

У У

а)

—

Ъ X

Х2 ^ Хз ^ Х41 Х5 ^

б) :

Рис 1. Модель системы машинного доения коров, функционирующей 1 а) в производственных условиях, б) в условиях, приближенных к идеальным.

X - вектор входных, контролируемых параметров; X] — количество доильных аппаратов у оператора;

Х2 - длительность подготовительных операций при подготовке коровы к доению;

Х3 - длительность заключительных операций; Х4 - длительность молокоотдачи;

Х5 - динамика молокоотдачи (удой в 1-ю.. .Б-ю минуту); Ъ - вектор входных возмущающих параметров ; Ъ\ - нарушение распорядка дня на ферме;

- несоответствие параметров микроклимата зоотехническим требованиям;

Ъ] - дискомфортное состояние окружающей среды (смена доярки, грубое обращение доярки с животным, перемена места животным, шум несвойственный данному помещению); /5 - скрытые отказы технической подсистемы; Ъь - явные отказы технической подсистемы; У - вектор выходных параметров - показателей эффективности; О - интенсивность поступления молока от группы коров, закрепленных за оператором;

П - производительность труда оператора;

Р - простои оператора;

ХБ - длительность холостого доения.

Все входные параметры, кроме числа обслуживаемых доильных аппаратов, являются случайными величинами, принимающими числовые значения либо в нормируемых пределах, (условия, приближенные к идеальным), либо за пределами таковых. Численные значения показателей эффективности (2, П. Полученные в хозяйственных условиях, в результате воздействия возмущающих параметров и несоблюдения «Правил машинного доения...» всегда Зудут меньше эталонных значений показателей, а показатели Р и ХБ больше эталонных. Такое изменение показателей функциональной эффективности шляется причиной снижения экономической эффективности. Напомним, что юпускаемым уровнем ХО является 60 е., т.е. ХБ<60с.

Рабочий процесс оператора машинного доения коров при отсутствии юзмущающих параметров и полном соблюдении правил машинного доения шисывается графиком процесса, представляющим собой условное изобра-кение затрат времени на технологические операции с учетом их необходи-юй последовательности и длительности.

В связи с тем, что затраты времени на технологические операции (дли-ельность подготовительных, заключительных операций, длительность мо-юкоотдачи (длительность доения)) являются случайными величинами, рас-гределенным по известным нам законам, их численные значения можно поучить разигрыванием на ЭВМ с помощью датчика случайных чисел так на-ываемым методом статистических испытаний (метод Монте - Карло).

На основании обзора опубликованных научных исследований различ-ых авторов и собственных исследований при моделировании графика рабо-ы оператора машинного доения и интенсивности поступления молока в мо-окопровод нами приняты следующие законы распределения случайных ве-ичин, являющихся входными параметрами математической модели. Длительность подготовительных операций - нормальный, ¿штельность заключительных операций - нормальный, дительность машинного доения - логарифмически нормальный, еличина удоя в 1 -ю; 2-ю;.. .9-ю минуты - логарифмически нормальный, лгоритм моделирования на ЭВМ цикла работы оператора по методу Монте-Сарло состоит из следующих этапов:

1. Генерация последовательности случайных чисел, равномерно распределенных в интервале (0;1) в количестве, достаточном для обеспечения заданной точности ±2%, с доверительым уровнем вероятности 0,95.

2. Проверка последовательности случайных чисел по известным методикам на равномерность, на стохастичность, на независимость.

По результатам проверок для генерации случайных чисел ^ равномерно распределенных в интервале (0;1), нами использовалась рекурсивная процедура с рекурентной формулой (1).

г^Дг^+я)5 (1)

где Т — дробная часть числа, полученного в скобках, начальное (пусковое) число г0 = 0,785693.

3. Разыгрывание нормированной нормально распределенной величины Яы с математическим ожиданием ш=0 и дисперсией о2 =1 по формуле (2)

^N=1^-6 (2)

¡=1

4. Преобразование нормированной нормально распределенной величины в ненормированную Р(т; о) нормально распределенную по формуле (3)

Р(ш;ст) = +т, (3)

а преобразование в логарифмически нормальное распределение по формуле

Ре(т;а) = ет^ (4)

Для обеспечения заданной точности результатов моделирования 8 в одних случаях, в других для оценки точности результатов моделирования использовалась зависимость (5)

е = оФ_1Г^1/ТЫ (5)

ы/ :

где: с - среднеквадратическое отклонение, определяемое по результатам пробных испытаний в количестве более 50;

- обратная функция Лапласа; Р — доверительный уровень вероятности; N — количество статистических испытаний.

Длительность подготовительных, заключительных операций, длительность машинного доения моделировались с точностью ±2% с доверительным уровнем вероятности 0,95, для чего необходимое количество статистических испытаний оказалось равным 1200.

Характеристики распределений длительности подготовительных, заключительных операций, длительности молокоотдачи, динамики молокоот-дачи (удой в 1-ю...О-ю минуту) определялись в экспериментальных исследованиях с аппроксимацией эмпирических распределений теоретическими с

проверкой адекватности по критерию ХИ - квадрат и уровнем вероятности

После разыгрывания исходных составляющих цикла машинного доения, строится график работы оператора в заданном масштабе.

Исходной посылкой для разработки алгоритма построения графика на ЭВМ служит общепринятый порядок обслуживания коров при доении, заключающийся в последовательной подготовке к доению и подсоединению аппаратов всем п коровам. После окончания молокоотдачи оператор проводит заключительшле операции в той же последовательности, в какой выполнял подготовительные. Иной порядок проведения заключительных операций, например, проведение их на корове, первой закончившей молокоотдачу, вынуждает оператора все время передвигаться вдоль стойл от 1-го до п-го аппарата, контролируя процесс окончания молокоотдачи, что резко повышает энергонапряженность труда оператора и, самое главное, не устраняет явление передержки аппаратов на других коровах. С учетом сказанного о порядке работы оператора машинного доения, график доения п доильными аппаратами будет иметь вид рис.2. На рис.2а. процесс доения изображен в установившемся режиме при выполнении ¡-го цикла работы аппаратов. Подготовительно - заключительные операции К^...!^,] на стыке ¡-го и 1+1 циклов изображены так, как их необходимо было бы выполнять в соответствии с окончанием молокоотдачи каждой из п коров. В связи со случайностью длительности машинного доения Ор взаимное расположение будет иметь случайный характер. Здесь ¡-номер цикла, ]-номер коровы в цикле. Однако взаимное расположение в любом случае можно оценить координатой Ъ^ рис.2,т.е. расстояние от плоскости сравнения 0 -0, размещенной в конце подготовительно - заключительных операций на последней п-ой корове текущего ¡-го цикла до окончания молокоотдачи или, что то же самое, до начала заключительно - подготовительных ^й коровы. Координаты при известных (разыгранных на ЭВМ) величинах Хц, Г)^, Ту, Тдн-о легко вычисляемы.

КоординатаZjj вычисленная по формулам (6...9) в общем случае может быть больше нуля, равна нулю, либо меньше нуля. Как видно из рис.2 в случае равенства нулю координаты Z^ с учетом порядка работы оператора машинного доения, оговоренного нами ранее, заключительно-подготовительные операции R|,j начнут выполняться сразу же за операциями R4,(m>- Равенство нулю координаты Z} i говорит о том, что длительность передержки аппарата №1 XDi i=0; простой оператора Рц=0. Если же Zi i<0, то, как это видно на рис.2а, длительность передержки аппарата №1 на первой корове i-ro цикла равна XDi/HZtJ. Если Zi,,>0, то длительность простоя оператора Py.rZ, ;. а ХРи=0.

0,8...0,95.

(6)

(7)

(8) (9)

После выполнения операции будут выполнены операции Я2л; Ко,,; в последовательности , аналогичной операциям рис.2.

После выполнения всех заключительных операций текущего ¡-го цикла и подготовительных операций последующего ¡-И-го цикла их расположение на графике будет упорядочено Рис.2б. Операции ¡-го цикла Яр по отношению к плоскости 0-0 теперь будет иметь новые координаты У^, которые также легко вычисляемы.

У,^,,!; У2.,=Уи+11и; Узл=У2,,+Я2.ь У4, Уз,+Кз., (10)

Разность координат Ъ^ - У],; = К,., в зависимости от ее знака и величины характеризует результат работы оператора на каждом ]-ом аппарате ¡-го цикла. Ку<0 передержка ХЕ)у=|К^|; при этом простой оператора Pj.r0. Kj.r0; XDj.rO; Pj.rO. ^,¡>0;' Х%=0; Р^Кц.

При переходе к следующему ¡+1 циклу разыгрываются новые значения Рш+1)5 ^,(.+2); ^.(¡+1), после чего вычисляются новые значения ^,(¡+1). При этом операции вычисленные в ¡-ом цикле, учавствуют в формировании ¡+1-го цикла. Далее процесс циклически повторяется до достижения ¡=Юадавая N каким угодно большим числом, можно с помощью ЭВМ "подоить" десятки тысяч коров одним оператором, расчитав при этом длительности передержек, длительности простоев оператора на каждой корове, длительность каждого \-го цикла, общую длительность доения стада, производительность

труда оператора в зависимости от числа2з,1 доильных аппаратов у оператора и длительности составляющих величин цикла машинного доения.

0

Рис. 2 График технологического процесса машинного доения коров 4-мя аппаратами

а) в соответствии с длительностью машинного доения; о) в соответствии с возможностями оператора; У^ - расчетные координаты ЛАЛАЛ/ длительность передержек аппарата (холостого доения Х1>)

Аналогичным образом моделируется величина удоя в каждую (с 1 по 9) минуту и в зависимости от длительности D,,; вычисляется общий удой от каждой j-ой коровы в i-ом цикле. Это дает возможность определить общий у'дой по стаду в N голов за одну дойку, удой в любом цикле, средний удой в единицу времени.

Нами был смоделирован процесс работы оператора машинного доения ко-эов при работе с 3-мя; 4-мя; 5;6;7 доильными аппаратами при доении стада эдним оператором не менее 1200 коров. Длительность подготовительных и заключительных операций принималась распределенной по нормальным законам со следующими параметрами:

1) т=48с; t=50c;crt=5c; оу=5с.

2) т=22с; t=24c;(TT=7c; а,=8с.

По окончании моделирования на печать выдавались расчетные показатели 1 форме таблиц. По окончании моделирования числовые массивы XD, Р, Т, у'дой, Q были подвергнуты статистической обработке с помощью пакета трикладных программ Statgrafics (США) с целью определения характеристик определений и графического изображения данных в форме гистограмм.

На основе статистических характеристик XD, Р, Т, Удой, Q легко вычис-1яются следующие показатели машинного доения стада в N коров: гасовая производительность оператора машинного доения П, коров/час; интенсивность поступления молока в молокопровод, кг/мин.

В диссертации представлены блок-схемы алгоритмов моделирования, фограммы для ПЭВМ IBM PC, результаты моделирования в форме таблиц и -истограмм. Для примера приведена таблица № 1. По данным таблицы 1 вы-шслены вероятностные характеристики процесса машинного доения коров, тредставленные в диссертации.

Смоделированное среднесуточное значение обобщенного показателя штенсивности доения можно считать номинальным, желаемым значением

В то же время известно, что продуктивность животных в течение суток ie является постоянной величиной. Как правило, продуктивность в утрен-пою дойку выше, нежели в дневную и вечернюю. Эта неравномерность на фактике учитывается коэффициентом суточной неравномерности удоев Ксуг, )авным в зависимости от кратности доения (2 или 3 раза), 1,2... 1,5.

Kcyr = Umax/Umin (10)

Де Umax; Umin - соответственно максимальный и минимальный разовый удой it группы коров, кг.

Суточная неравномерность разового удоя является причиной отклоне-гия фактического среднего значения интенсивности доения Оф , полученного I хозяйственных условиях, от среднесуточного номинального значения QH. Такое отклонение применительно к сельскохозяйственным агрегатам проф. V.R. Лурье и проф. Е.И. Давидсон назвали допуском на настройку агрегата.

Используя теоретические основы оценки эффективности функциониро-1ания сельскохозяйственных агрегатов, разработанные трудами Л.Е. Агеева, Ш. Давидсона, А.Б. Лурье, С.А. Иофинова и др. можно оценить эффектив-

ность функционирования СМДК в хозяйственных условиях в процессе каждой дойки.

В соответствии с упомянутыми теоретическими основами оценки эффективности функционирования сельскохозяйственных агрегатов и систем необходимо знать:

- фактическую величину обобщенного показателя (в нашем случае интенсивность доения С>ф), полученную в хозяйственных условиях;

- допуск на неравномерность колебания обобщенного показателя - Дг;

- допуск на настройку системы - А];

- допускаемую вероятность сохранения поля допуска параметром 0„ - [Р].

- допускаемую длительность передержек аппарата ХО

Оценка эффективности функционирования СМДК в хозяйственных условия* будет иметь вид:

Рф^1Р] [ (и;

ХБ<60е

где Рф и[Р] соответственно фактическая и допускаемая вероятности сохранения поля допуска параметром

Допуск А[ с учетом коэффициента суточной неравномерности удоев бу дет равен

А. =Р„-<УКсуг (12

В качестве допуска Аг принимаются толерантные границы изменении , определяемые по известным методикам. Допускаемая вероятность сохранения поля допуска [Р] параметром С>, определяется по формуле, предложенной проф. Е.И. Давидсоном

[Р]=Ф

А, ± А

+ Ф

Д2±'А

\

(13

где Ф - функция Лапласа; с - среднеквадратическое отклонение параметр; С)н. Применение знаков ± зависит от того , с какой стороны от <3„ находите) фактическое статистическое значение С^ф.

Фактическая вероятность сохранения поля допуска Рф определяется от ношением количества замеров ординат интенсивности доения, находящихс: в поле допуска к общему количеству замеров.

Если условия (11) выполняются, вывод о работе СМДК положительный Если нет нужен анализ ситуации, выяснение и устранение причин сниже ния качества функционирования СМД К.

Для регистрации в хозяйственных условиях нами разработан прибо] ■контроля эффективности машинного доения (ПКЭФ) (а.с. №1676537А1). I диссертации приведена структурная схема прибора, описан принцип дейст вия, приведена «Структура методики оценки эффективности СМДК в хозяй

;твенных условиях», «Алгоритм ежедневного контроля качества функционирования СМДК», а также результаты апробирования методики оценки эффективности СМДК в А.О. «Петровское)) Ленинградской области в 1997 го-1У-

Как отмечалось ранее, статистическая модель функционирования ЗМДК, хотя и не является оптимизационной, тем не менее, она позволяет оптимизировать один из входных параметров математической модели, зафиксировав остальные переменные входные параметры в определенных грани-дах, т.е. в границах допускаемых значений.

В нашей работе оптимизации подвергался параметр Xi - количество до-таьных аппаратов, обслуживаемых оператором. С этой целью данному параметру придавалось значение 3; 4; 5; 6; 7 аппаратов. Модель при каждом зна-гении параметра X] прогонялась 1200 раз. Результаты моделирования после >бработки представлены в таблице 1. О чем свидетельствуют данные таблицы 1?

Если показатели эффективности, полученные при 3-х аппаратах принять ¡а базовые, т.е. за 100%, то интенсивность доения с ростом числа аппаратов, скрепленных за оператором, возрастает соответственно на 27,7%, 37,7%, Ю%, 31,4%. Имеется выраженный максимум при б аппаратах. Возрастает и фоизводителыюсть труда оператора: на 23%; 34%; 36%; 32%. После 5-ти доильных аппаратов рост производительности труда резко замедляется. Эти 1анные хорошо согласуется с результатами других исследователей, получен-шм по другим методикам (Карташов Л.П., Гордиевских М.Л. и др.).

Длительность холостого доения — важнейший показатель с точки зрения безопасности машинного доения коров. Данные таблицы 1 (строка 4) свиде-:ельствует о том, что даже при 3-х доильных аппаратах у оператора (на ^ДМ-8 штатное количество) почти четверть стада (23,4%) подвергаются хо-юстому доению длительностью более 60 с. При 4-х аппаратах эта часть ста-(а достигает почти 50 %. Одновременно с передержкой доильных аппаратов шератор на другой части коров имеет простои, т.е. резервы свободного вре-íeim. Эта противоречивость показателей является следствием варьирования деятельности молокоотдачи коров, изменяющейся от 3-х до 12 минут. Дан-¡ая противоречивость отмечается многими исследователями.

Варьирование длительности молокоотдачи является объективной при-[иной холостого доения, устранить которую не представляется возможным, ice исследователи единодушны во мнении о том, что холостое доение явля-:тся главной причиной маститов, наносящих огромный урон молочному жи-ютноводству. Если учесть, что данные показатели получены при функционировании СМДК в условиях, приближенных к идеальным, то в хо-яйственных условиях проблема безопасности машинного доения выглядит :гце острее. По этой причине зарубежные фирмы, например Альфа-Лаваль, гже начали серийный выпуск доильных аппаратов, оборудованных устройст-юм защиты молочной железы (УЗМЖ) от вредного воздействия вакуума при

Таблица 1.

Смоделированные (эталонные) показатели эффективности функционирования СМДК (стадо совхоза Всеволожский) тт= 48с; сгТ= 5с; ш( = 50с; ст{= 5с .

Показатели Число доильных аппаратов у оператора

3 4 5 6 7

среднее значение +£ а среднее значение ±£ а среднее значение +£■ а среднее значение ±е О среднее значение +Е а

Интенсивность доения, кг/миин 2,428+ 0,026 0,47 3,1+ 0,046 0,56 3,344+ . 0,045 0,8 3,41± 0,038 0,69 3,19+ 0,036 0,64

Производительность труда оператора, гол/час 26,8 3,1 33 1,9 36 2,7 36,5 3,4 35,5 3,2

Длительность простоя оператора, с 37+3 53 12+2 36 1,9±1,5 9,3

Длительность холостого доения, с 33+3 54 67+4 70 127±3 57 216+4 63 314+4 67

Таблица 2

Смоделированные значения выходных показателей эффективности функционирования СМДК при

ГГу22с; (7т=7с; ГТ1р24с; (Т^8с;

Показатели Число доильных аппаратов у оператора

3 4 5 6 7

среднее значение ±е средн. кв. откл. среднее значение ±е средн. кв. откл. среднее значение ±е средн. кв. откл. среднее значение ±е средн. кв. откл. среднее значение +е средн. кз. откл.

Интенсивность доения 2,8 + 0,033 0,58 3,56 ± 0,051 0,9 4,6 ± 0,060 1,06 5,29 ± 0,074 1,3 5,17 + 0,090 1,6

Производитель ность труда оператора, гол./час 31,6 3,8 40,5 2,9 49,5 3,4 57 3 60 3,6

Длительность простоя оператора, с 59+4 75 41±3 62 27+3 58 20±3 46 17±2 42

Длительность холостого 21±2 33 40+3 60 53±4 71 59±4 72 116±6 99

холостом доении, применяемых на линейных доильных установках с моло-копроводом.

Результаты моделирования работы СМДК позволяют предложить следующие пути повышения экономической эффективности машинного доения:

- Контроль качества функционирования СМДК в процессе каждой дойки по предлагаемой нами методике;

- На линейных доильных установках с молокопроводом число доильных аппаратов, обслуживаемых оператором, необходимо увеличить до 4-х, 5-ти;

- На доильных установках «Елочка» при отсутствии возможности комплектования технологических групп коров с одинаковой длительностью молокоотдачи оператор должен работать с 5...б доильными аппаратами, т.е. комплектность «Елочек» должна быть 2x5, либо 2x6, вместо серийно выпускаемых 2x8.

- Каждый доильный аппарат, независимо от их числа у оператора, должен быть оборудован УЗМЖ от вредного воздействия вакуума при холостом доении.

Кроме того, в связи с увеличением числа доильных аппаратов у оператора и резким увеличением расхода воздуха вакуумной системой в СМДК экономически целесообразно применять централизованные вакуумные системы.

Увеличение числа доильных аппаратов у оператора с 3-х до 5-ти, предлагаемое нами, неминуемо вызовет повышение энергонапряженности труда оператора, что может послужить препятствием в реализации данного предложения.

В связи с неоднозначностью мнений исследователей по данному вопросу нами предприняты попытки исследовать трудовой процесс оператора машинного доения коров на линейных доильных установках с молокопроводом. Результаты этих исследований изложены в разделе 3 «Эргономический анализ трудового процесса оператора машинного доения коров».

В практике оценки физического напряжения при производственной деятельности наибольшее распространение получило использование косвенных способов: 1) суждение о степени физического напряжения по массе переносимого груза; 2) по величине сменного грузооборота; 3) по величине энерготрат. В первом случае считается, что труд при перемещении грузов массой до 5 кг - легкий, 6... 15 - средней тяжести, свыше 15 - тяжелый.

Классификация энергетической стоимости трудового процесса во втором случае выглядит следующим образом: легкий труд - менее 5000 кг в смену, средний - 5000-10000 кг, тяжелый - свыше 10000 кг в смену. Классификация трудонапряженности в третьем случае выглядит так: легкий труд - энерготраты менее 175 Вг, средний - 178...292 Вт, тяжелый - свыше 292 Вт. Как показали исследования доктора медицинских наук, профессора И.И.Лихницкой, указанные критерии не полностью отражают грузонапряженность и не мо1уг объективно характеризовать энергетическую ценность трудового процесса. ЙИ.Лихницкая предложила комплексную методику оценки степени физического напряжения по критериям, представленным в

таблице 3. Автор и составе комплексной бригады под руководством [ТИ.Лихницкой принимал участие в исследовании энергонапряженности груда операторов машинного доения на доильных установках АДМ-8 в совхозе "Федоровское" Ленинградской области (таблица 3).

На основании анализа данных таблицы 3 и анализа динамики функций филологического обеспечения организма доярок при переходе от труда к отдыху, в соответствии с рекомендациями И.И.Лихницкой, нами были сделаны :ледующие выводы: труд доярок при ручном доении и выполнении подсобных работ относится к тяжелому труду, требующему значительного напряжения функций вегетативного обеспечения организма.

Таблица 3.

Динамика эргономических показателей процесса трудовой дея-

тельности доярок при выполнении подсобных работ, ручного и машинного доения коров. Совхоз "Федоровское", Ленинградской области.

Показатели Подсобные Ручное дое- Машинное

работы ние доение

Энерготраты-ЭТ, кВт 0,2810,03 0,2510,01 0,23+0,01

Минутный объем дыхания-МОД, л/мин 19,9+0,7 19,0+0,7 17,610,9

Частота дыхания-ЧД, 1/мин 22+0,8 21,0+0,5 18,0+0,5

Объем одного дыхания-ОД,мл 927±40 907+29 962143

Частота пульса-ЧП, 1/мин 114+5 113±4 9514

Минутный объем крови - МОК, л/мин 7,4±0,4 6,410,3 5,4+0,3

Ударный объем-УО, мл 64,6+3,0 57,212,7 55,811,9

Среднее динамическое давление—СДЦ,кПа 14,3+0,4 14,410,4 14,010,1

Доение коров на АДМ-8 при работе с тремя аппаратами, выполнением различных вспомогательных работ и поносом теплой воды для подмыва вы-лени из блока вспомогательных помещений, удаленного от рабочих мест >ператоров на 45...50 м, характеризуется как труд средней тяжести для жен-цин и легкий для мужчин в возрасте 20... 50 лет. Таким образом, увеличение шсла обслуживаемых доильных аппаратов возможно как у мужчин, так и у кенщин.

4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ МОЛОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ (УЗМЖ) ОТ ВРЕДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ВАКУУМА ПРИ ХОЛОСТОМ

ДОЕНИИ.

Как было показано в разделе 2, одно из условий эффективной работы ИМДК (Х0<60с) невозможно выполнить без оснащения доильных аппаратов /ЗМЖ. В 4 разделе дан обзор существующих конструкций УЗМЖ, приведе-1а их классификация. Все известные конструкции можно разделить на от-слючатели (УЗМЖ) с электрическим и механическим исполнительными ме-санизмами. Отключатели с исполнительным электрическим механизмом тре-

буют источник питания, имеют низкую надежность в условиях микроклимата коровников и потому на переносных доильных аппаратах их использование крайне затруднительно. Отключатели с исполнительным механическим механизмом подразделяются на поплавковые и тепловые. Поплавковые отключатели имеют ряд недостатков: при работе они должны занимать определенное положение в пространстве (траектория передвижения поплавка должна находиться в вертикальной плоскости, в противном случае возможно его заедание и отказ механизма в работе). Впуск воздуха в подсосковые камеры при срабатывании отключателя вызывает спадание доильных стаканов с вымени на пол, низкая надежность из-за засорения калиброванных отверстий молоколовушек. Отключатели требуют дополнительных затрат времени на удержание поплавков вручную до начала интенсивной молокоотдачи. В от-ключателях отсутствует звуковая сигнализация окончания молокоотдачи.

Ог указанных недостатков в значительной мере свободны отключатели тепловой группы.

В качестве входного сигнала в них используется изменение температуры в молочном шланге, воспринимаемое термочувствительным элементом. Датчики тепловых отключателей просты по устройству, надежны. Их работоспособность не зависит от положения в пространстве и засоренности молока.

Предложенный нами отключатель (рис.3) устроен следующим образом. В корпусе отключателя имеется шток 4 с клапаном отсечки вакуума 11 на одном конце и пусковой кнопкой 5 на другом. Шток в рабочем положении (клапан 11 открыт) удерживается зубом 6 пружинящей пластины 3. В прорези этой пластины скользит зубчатая рейка 7, шарнирно закрепленная на главном рычаге 8. Термочувствительным элементом является термобаллончик с сильфоном 9, заполненные этиловым спиртом. Термобаллончик располагается в молочной камере 10. Перед началом работы доярка нажимает на кнопку 5. При этом пульсатор 1 запитывается вакуумом от вакуумпровода 2 и работает в обычном для него режиме. В процессе доения термобаллончик нагревается молоком. В результате расширения спирта происходит "самовзвод" механизма. По окончании молокоотдачи при охлаждении и сжатии спирта происходит срабатывание механизма, в результате чего клапан 11 закрывается и пульсатор оказывается отсоединенным от вакуумпровода. При этом атмосферное давление из камеры постоянного атмосферного давления пульсатора проникает в межстенные камеры доильных стаканов, в результате чего работа доильных стаканов прекращается на такте сжатия. Сосковая резина, обжимая сосок, препятствует проникновению вакуума в полость молочных цистерн вымени, чем и достигается эффект защиты тканей вымени от вредного воздействия вакуума при передержках доильных стаканов. Прекращение работы пульсатора служит своего рода звуковым сигналом, побуждающим оператора к своевременному снятию доильных стаканов. Отключатель, как это видно из рисунка, не требует каких-либо изменений конструкций серийных узлов доильных аппаратов. Он легко монтируется в разрыв молочного шланга и шланга постоянного вакуума и работает с любым типом как отечественных, так и зарубежных доильных аппаратов.

К вакуумной установке

Рис 5 Схема универсальною тгппобаю отмючателй.

Способ защиты тканей вымени от вредного воздействия вакуума при передержках доильных аппаратов путем подачи постоянного атмосферного давления в межстенные камеры доильных стаканов, как будет показано далее, имеет высокую эффективность и в то же время не позволяет стаканам упасть на пол.

Анализ тепломассообменных процессов в молочном шланге показал, что изменение температуры в нем происходит вследствие изменения соотношения компонентов молоко-воздушной смеси в процессе доения и потерь тепла через стенки шланга в окружающую среду. Проведенный анализ позволил получить численное значение коэффициента теплоотдачи молоковоздушной смеси и значение коэффициента линейной теплопередачи наружной поверхности молочного шланга в зависимости от температуры наружного воздуха, омывающего молочный шланг, и объемного расхода молока через шланг. Объемный расход молока изменяется в пределах (3-ь4,1)х10~5 м3/с до (3-^-3,3)х КГ6 м /с в зависимости от индивидуальных особенностей животного (кривая молокоотдачи). Изменение температуры в молочном шланге воспринимается термобаллончиком - датчиком температуры. Функциональная схема датчика приведена на рис. 4.

Будем рассматривать термобаллончик как динамическое звено определенной автоматической системы. При этом А1 (изменение температуры) будем считать входным параметром, а перемещение Д11 - выходным. Анализ тепло-обменных процессов в молочной камере от-ключателя позволил получить дифференциаль-

М

>

ДЬ

Рис 4. Функциональная схема термобаллончика.

ное уравнение связи входного и выходного параметров.

^Ь" + Кб71/(1б-1нач)=0 (14)

где Сж, ш - соответственно теплоемкость и масса жидкости в термочувствительном баллончике, /нач - начальная длина баллончика, 3 - коэффициент объемного расширения жидкости, Кб - коэффициент линейной теплопередачи, 1,1а,,, 1б - соответственно начальная и конечная температура тармобаллон-чика.

Полученное уравнение (14) можно рассматривать, как связь между входной и выходной координатой вида

. И (Ь-,ЬД) = 0 (15)

Для получения линейного уравнения звена обычно производят линеаризацию уравнения (15), т.е. разложение действительного уравнения звена в ряд Тейлора

Г (Ь*,ЬД) = Р (0,Ь°Д°) + (дР/дк'У ЛЬ + (оРУгЬ)0 дЬ +-(сР/<5Ь)°Л1 » члены высшего порядка малости (16) Индекс "О" при частных производных означает, что после взятия этих производных в полученные выражения надо поставить установившееся значение всех переменных. Из анализа теплообменных процессов в молочной камере имеем.

ЭР Сж т

-= [(Сж т/ /нач р) 1Г + К6 п /нач(1б - =--(17)

ЭЬ" /нач (3

так как /иач, Сж, ш,р не зависят от времени.

ар Ь

Далее -= Р (Ь'.ЬД)^ , так как 1тч (^ - 1„ач) = —,

аъ (3

следовательно,

ЗР Ъ К6 л

-= [(Сжш//нач р^'-ьКвЯ— З'ь =--(18)

эь Р Р

( при установившемся режиме Ь = Ьтах).

Далее

ар

— = [(Сж Ш/ 1тч Р) Ь" + К« 7С /нач(^с - 1,,аЧ) |\- к6 тс 1ШЧ (19)

■ а6

Тогда с учетом соотношения (17) и зависимостей (18) и (19) получаем

Сжт Кб л

-дЬ* +-ДЬ + Кг, 711Ш., Л1: — О

/и,, Р ¡3

Сжт

-ЛЬ'+ЛЬ = -/,гач р Л1 (20)

/нач Кб л

В теории автоматического регулирования принято дифференциальные уравнения звеньев записывать в стандартных формах с использованием операторной записи. Первая форма получается делением всех членов исходного уравнения звена на коэффициент при отклонениях выходной координаты (в нашем случае дЬ ). Тогда (20) имеет вид

ТдЬ* +ДЬ = К Д1 (21)

Сжш

где Т=--(22)

Кб % 1тч

К=-4ач (3 (23)

Решение уравнения (21) имеет вид (24), представляющее собой пере-содную характеристику сильфона как апериодического звена САР.

И = К (1 - е^т/Г)) (24)

Графическое изображение переходной характеристики звена представ-тено на рисунке 5.

Очевидно, что при изменении входной координаты л! на единицу, выгодная координата на новом установившемся режиме будет отличаться от исходного значения на величину К , которая в нашем случае равна

к- Л™, Р, (25), ьтах=/„ач Р(и-гнач) (26)

Из графика также видно, что изменение выходной координаты ЛЬ отдает от изменения входной координаты Д1. Величина ДЬ (ход сильфона) ме-мстся не скачком, а плавно приближается к своему новому значению по экс-гоненте. При этом, чем больше постоянная времени Т, тем медленнее откло-1ение ДЬ приближается к своему новому значению. Значение выходной ко-)рдинаты считается установившимся через (3,..5)Т . Можно показать, что 1ри подаче входной координаты отрицательного знака (рис. 5 б), выходная соордината будет уменьшаться по кривой 2, являющейся зеркальным отра-кением кривой 1.

Эта закономерность изменения величины дЬ является причиной задержек срабатывания исполнительного механизма УЗМЖ, что вызывает пере-(ержку доильного аппарата.

Однако длительность этой передержки не превышает 60 е., что вполне 'кладывается в допускаемое значение передержек.

Ж ДХвх = Д1 = ГК

а)

б)

►

х, с.

Рис 5. Переходная характеристика термобаллончика как звена системы автоматического регулирования

Постоянная времени Т имеет размерность времени и характеризует запаздывание изменения выходной координаты Ь по сравнению с изменением входной - Д1, т.е. тепловую инерционность термобаллончика.

В диссертации представлена методика инженерного, расчета параметров термочувствительного датчика с численным примерЪм.

Экспериментальные исследования эффективности работы отключателя доильных аппаратов.

В разделе "Экспериментальные исследования рабочего процесса доильного аппарата, оборудованного автоматическим отключателем" изложена методика и результаты лабораторных и производственных испытаний доильных аппаратов, оборудованных автоматическими отключателями.

Лабораторные исследования проводились в лаборатории доильных машин кафедры "Механизация животноводческих ферм" на искусственном вымени при заправке его водой, нагретой до температуры 312 °К. Испытания носили характер поисковых. Среднее время задержки срабатывания отключателя после окончания "молокоотдачи" составило 27 секунд при наружной температуре воздуха 22 - 24 °С и влажности 55 — 65% .

Производственные испытания проводились на ферме "Мурино" совхоза "Ручьи" Всеволожского района Ленинградской области на доильной установке "Тандем" УДТ-6. Отключателями были оборудованы все шесть доиль-

2 5

яых аппаратов доильной установки. С целью определения режимов работы аоильных аппаратов один из доильных стаканов был оборудован датчиками давления МДД 1-2300, измеряющими давление в межстенной и подсосковой <амерах.

Одновременно с измерением давления регистрировалась температура мо-юковоздушной смеси в молочном шланге и температура воздуха на доиль-1ой площадке. Для измерения температуры использовали микротермосопро-гивления МТ-64, отличающиеся малыми габаритами и малой тепловой шерционпостью.

Показания всех четырех датчиков записывались на пленке УФ сухого про-тления осциллографа Н115.

За время производственных испытаний проведено 960 короводоек, из них [17 записано на пленку осциллографа. Показатели работы доильного аппарата, полученные из осциллограмм, обрабатывались методом дисперсионного шализа. В результате оказалось, что время работы доильного аппарата на 1ымени, время передержки доильных стаканов дояркой, время задержки срабатывания отключателя распределены по нормальному закону, оценка мате-1атического ожидания времени передержки доильных аппаратов дояркой со-тавило 137,7 с со средне квадратическим отклонением 135 с, оценка матема-ического ожидания времени задержки срабатывания отключателя - 49,7 с со реднеквадратическим отклонением 15,3 с.

Результаты воздействия отключателя на молочную железу коров опытной руппы сравнивались с результатами исследования состояния здоровья моечной железы коров-аналогов контрольной группы, доившихся без отклю-ателей. В каждой группе было подобрано по 12 клинически здоровых коров ервой, второй лактации. Состояние молочной железы оценивалось по нали-ию субклинической и клинической форм маститов, определяемых по суще-твующим методикам.

В результате исследований оказалось, что число четвертей пораженных гаститом в контрольной группе коров доившихся без отключателей в 2,5-3 аза выше, чем в опытной, доившейся с отключатеяями.

С целью оценки степени раздражения молочной железы коровы при дое-ии двухтактным аппаратом, оборудованным отключателем, была проведена пециальная серия опытов.

Для характеристики состояния молочной железы определяли тактильную и олевую чувствительность и количество оксигемогяобина в крови сосков не-осредственно после окончания доения. Определение уровней чувствитель-ости проводилось по методике Л.Х. Ашибокова.

Рецепторы сосков вымени раздражали с помощью прерывистого импульс-ого тока пиковой формы частотой 400 Гц, напряжением 300-700 милли-ольт.

Постепенным ступенчатым (дискретно по 25 милливольт) увеличением сдаваемого на соски напряжения выявляли сначала порог тактильной чув-гвительности - по первой , едва заметной реакции связками вымени, а затем орог болевой чувствительности - по возникновению двигательной реакции

соответствующей задней конечности (наиболее характерная форма ответной реакции на боль с сосков), по резкому поджатию вымени или выраженной как-либо иначе реакции отстранения (удар ногой, отход).

Эксперименты проведены нами совместно с сотрудниками лаборатории физиологических механизмов лактации ВНИИРГЖ кандидатами биологических наук Поповой А.А. и Тумановой Э.Б. под руководством доктора биологических наук Э.П. Кокориной на 15 коровах черно - пестрой породы стада Колтушского экспериментального хозяйства ВНИИРГЖ с продуктивностью около 5000 л за 300 дней лактации. Опыты проводились по следующей схеме: 1) фон без передержек, 2) трехминутная передержка, 3) 5-минутная передержка в течении двух периодов. В первом периоде доильный аппарат после окончания молокоотдачи продолжал работать в холостую без отключателя, во втором периоде - с отключателем. В каждом из периодов испытано 10—14 передержек.

Данные эксперимента свидетельствуют о том, что при передержках двухтактного доильного аппарата происходит раздражение (травмирование) вымени, в силу чего животное испытывает болезненное ощущение и раньше начинает чувствовать приложенное напряжение приложенного тока. Это называется снижением порога чувствительности. Без применения отключателя порог тактильной чувствительности снизился в среднем на 48,8 % и болевой на - 45,4 %. При этом одновременно увеличилось число случаев снижения уровня оксигемоглобина в крови сосков в среднем на 27,5 % по сравнению с фоном. При применении отключателя существенного снижения порога болевой чувствительности не происходит, порог тактильной чувствительности даже повышается, число снижения оксигемоглобина в крови по сравнению с фоном не увеличивается.

Анализ результатов эксперимента позволяет сделать вывод, что рекомендуемый автоматический отключатель достаточно эффективно защищает вымя коровы от вредного воздействия вакуума при " холостом" доении доильным аппаратом.

В пятом разделе «Научно -технические основы повышения эффективности работы приборов для учета группового надоя» рассмотрена проблема качества функционирования учетных приборов - дозаторов. В связи с тем, что дозатор наделен нами новыми функциями - регистрации интенсивности доения с помощью прибора контроля эффективности функционирования СМДК, к качеству его функционирования предъявляются повышенные требования в части точности его работы.

Опыт производственной эксплуатации дозаторов АДМ-52.000, входящих ныне в комплект доильной установки АДМ-8, свидетельствует о низкой надежности серийного прибора в части сохранения допускаемой относительной погрешности (±3%). Это обязывает нас более подробно рассмотреть характер функционирования этого прибора, вскрыть причины низкой надежности и предложить меры по их устранению.

В технике измерения количества жидкости, протекающей через поперечное сечение трубопроводов, используется большое разнообразие учетных

приборов. Одкако ни один из известных классов учетных приборов не пригоден для использования в ПТЛ доения в связи с особыми условиями, существующими в транспортных коммуникациях названных ПТЛ. К особым условиям относятся:

- наличие двухфазных потоков жидкость-воздух с относительно большим газосодержанием и удельной поверхностью раздела фаз при пониженном давлении в сравнении с нормальным атмосферным;

- случайный характер изменения расхода жидкости и воздуха в молоко-проводе;

- ярко выраженный неустановившийся режим движения жидкости и воздуха. Этот режим наблюдается при эвакуации молока от коллектора доильного аппарата в молокопровод, а так же при течении молока по молоко-проводу;

- нестационарный режим теплообменных процессов в связи со случайным изменением количества поступающего молока;

- интенсивное многократное механическое воздействие на молоко, сопровождающееся ценообразованием, соударением отдельных порций молока, ударами струй молока о твердые поверхности, барботажем молока воздухом, подсасываемым через неплотности молокопровода по всей трассе транспортирования;

- наличие в молочной линии участков, где наблюдается резкое возрастание скоростей, ускорений;

- наличие в жидкой фазе (молоке) механических примесей (опилки, торф при засасывании упавшими с вымени доильными аппаратами), наличие комочков молочного жира при его сбивании, наличие слизи и маститных сгустков;

- плотностная неоднородность молока, зависящая как от физико-механических свойств молока, так и от конструктивных особенностей моло-котранспортных коммуникаций доильных установок.

Рассмотренные особенности вынуждают исследователей для организации учета надоев в ПТЛ доения разрабатывать свой класс учетных приборов, способных работать в этих условиях в допускаемых пределах погрешностей.

На основе анализа обзора конструктивных схем приборов - измерителей потока, применяемых в различных отраслях народного хозяйства с учетом отмеченных особенностей мы пришли к выводу о том, что для измерения количества молока в ПТЛ доения наиболее приемлемым классом прибора является прибор массового типа, порционного принципа действия, с электрическим, либо с пневмомеханическим выходным сигналом, с поплавковым датчиком формирования дозы. Среди многочисленных конструкций измерителей потока порционного принципа действия наибольшую известность получили измерители, именуемые дозаторами, выполненными по схеме Рис. 6А, 6В. Это дозаторы АДМ—52.000, входящие в комплект доильных установок АДМ-8. Рабочий цикл этих дозаторов состоит из трех тактов: всплытие поплавкового узла при заполнении его камер дозируемой жидкостью (молоком), эвакуация сформированной дозы из мерной камеры, опускание погшав-

2ß

кового узла в исходное положение. Условие всплытия и опускания поплавкового узла в дозаторе Рис. 4А имеет вид.

где; Rx - равнодействующая всех сил, приложенных к поплавковому узлу при всплытии поплавкового узла; R*x - аналогично при опускании поплавкового узла; Vn - затопленный объем поплавка вместе с частью центрального штока; Vm, - объем клапана; ш - суммарная масса поплавкового узла; g - ускорение силы тяжести; р - плотность молока; ("шт - площадь поперечного сечения штока, находящаяся под постоянным атмосферным давлением; Р - величина вакуума в вакуумной магистрали.

В уравнениях (27,28) все величины кроме Р и р постоянны. Если бы и величина вакуума Р и плотность молоковоздушной смеси р были постоянны, то никаких проблем с эксплуатацией дозаторов, выполненных по схеме 6А не возникало. Однако по данным многих исследователей на доильных установках со скрытыми отказами, таких как несоответствие производительности вакуумных насосов, расходу воздуха потребителями вакуума, отсутствие или заглушка вакуумрегуляторов вызывают колебания величины вакуума в пределах 40...53кПа. В такие моменты условия не выполняются. Поплавковый узел замирает либо в нижнем, либо в верхнем положении. Приемная камера дозатора переполняется молоком и оно, минуя мерную камеру, через воздушный патрубок перетекает в молокосборник, накапливая ошибку измерений.

Колебания плотности р молоковоздушной смеси вызвана принципом работы доильного аппарата. По данным A.C. Веприцкого, Л.П. Карташова, А.Е. Кузьмина плотность молоковоздушной смеси, входящей в молокопро-вод из молочного шланга доильного аппарата на доильных установках АДМ-8 составляет менее 600 кг/м3. В процессе транспортирования молоковоздушной смеси по молокопроводу в зависимости от его пространственного расположения, качества монтажа, обуславливающего негерметичность стыков, числа одновременно работающих доильных аппаратов, обуславливающего интенсивность доения, в нем возникает различное сочетание подач воздуха (Q„) и интенсивности доения (Q„). В зависимости от сочетания QB и Q„ в мо-локопроводе возникают различные структуры потоков и режимы их течения. Молокопровод АДМ-8А, обслуживающий одну подгруппу в 25 коров, имеет протяженность 65... 100 м. На этой длине имеются нисходящие участки, восходящие под различным углом подъема, повороты различного радиуса кривизны. Согласно Л.П. Карташова на нисходящих участках трубопроводов при течении по ним двухфазных ( жидкость - газ ) потоков реализуется кольцевой, пробковый и расслоенный режимы течения. При расслоенном режиме течения в молоковоздушной смеси создаются условия для выделения воздуха

Rx > pgVn + pg V„ - mg -{ШТР

R\ < pgVn + ДР fM - mg - f,,Hpg - f„„P

(27)

(28)

из молоковоздушной смеси и. следовательно, для увеличения ее плотности. На восходящих участках, в местах поворота молокопровода согласно Ю.А.Цою режим движения неустановившийся с резкими изменениями скоростей потока и пульсациями давлений. На таких участках наряду с процессами воздухоотделения возникают встречные процессы воздухонасыщения молоковоздушной смеси. Сочетание всех вышеперечисленных факторов обуславливает плотность молоковоздушной смеси, входящей в дозатор в интервале 600...1030 кг/м3. Поплавковый узел дозаторов АДМ -52.000 первой и второй модификации (рис. 6А;6В) при плотностях молоковоздушной смеси менее 800 кг/м3, как показали наши исследования, неработоспособны, так как не выполняется условие (26). В дозаторе АДМ-52.000 второй модификации (Рис. 6В) зависимость его работоспособности от стабильности вакуума устранена введением в конструкцию дозатора наконечника 2. Однако все сказанное выше о влиянии плотности молоковоздушной смеси на его работоспособность целиком и полностью имеет место. Это серьезный недостаток конструкции дозатора.

От этого недостатка свободны дозаторы с поплавком, расположенным в мерной камере (Рис. 6 С; Б). В этих конструкциях реализуется гидростатический метод измерения массы жидкости, который заключается в определении массы жидкости в мерной камере по предельному положению поплавка с со-5людением при этом условия постоянства отношения объема затопленной части поплавка к объему жидкости в мерной камере во всем диапазоне вариабельности плотности измеряемой жидкости. В аналитическом виде этот метод представляется в виде условия

[|!п(Ь)]Й/[|(1[(11)] = соп51 (29)

где: [п (Ь) - функция площади поплавка в зависимости от уровня заполнения мерной камеры Ь; {„ (Ь) - аналогичная функция площади мерной камеры.

В диссертации рассмотрены частные случаи этого метода, представлена методика и численный пример инженерного расчета дозатора, выполненного то схеме 61). Конструктивное исполнение дозатора с колоколообразным по-тяавком (Ю.Л. Золотусский), представленное на схеме 6С на наш взгляд ямеет следующие недостатки:

- поток молока, проходящего из приемной в мерную камеру, и поток воздуха, выделяющегося из слоя молоковоздушной смеси в мерной камере направлены на встречу друг другу. Это вызывает барботаж молока;

- для объема молока внутри колокола невозможно использовать гидростатический метод измерения массы, так как ход жидкостного поршня независимо от плотности жидкости должен быть таким, чтобы обеспечить давление газа под колоколом, необходимое для создания подъемной силы, больше силы тяжести поплавка;

- при продувке дозы воздух из под колокола прорывается через слой молока, вызывая барботаж его со всеми вредными последствиями;

- погрешность формирования дозы зависит от стабильности вакуумметри-ческого давления, так как при его колебании изменяется и остаточное давление, действующее на сферическое дно колокола сверху;

- ограниченные регулировочные возможности при регулировке массы дозы.

Отмеченные недостатки значительно снижают положительный эффект работы дозаторов с колоколообразным поплавком, расположенным в мерной камере.

От этих недостатков свободен дозатор, предлагаемый автором (Рис. 60). По нашему мнению данная конструкция дозатора имеет следующие преимущества перед своими аналогами:

- в дозаторе нет встречных потоков молока и воздуха;

- негерметичность клапана 5 и клапана 7 не влияет на размер массы одной дозы;

- дозатор имеет два способа регулировки массы одной дозы: изменением массы поплавкового узла и изменением положения резьбового наконечника 2.

Конструкция дозатора, выполненная по схеме 6Е>, защищена патентом РФ №2093018 от 20.10.97г.

Рабочий макет дозатора, конструктивные параметры которого рассчитаны по авторской методике, испытывался в лабораторных и производственных условиях на молочной ферме учхоза «Пушкинское».

С целью оптимизации конструктивных параметров дозатора был проведен шюгофакторный эксперимент.

С учетом проведенных теоретических исследований и поисковых опытов в качестве основных факторов, влияющих на процесс дозирования, нами выбраны: угол отклонения продольной оси симметрии дозатора от вертикали, град.; величина хода поплавкового узла, мм; расход дозируемой жидкости, кг/мин (Табл.4).

Основные факторы и уровни их варьирования представлены в таблице 4. Кодирование факторов производили по формуле

= (XI - Хс!) / е , (30)

где: х-, - кодированное значение фактора (безразмерная величина), верхний уровень обозначается (+1), а нижний уровень (-1), в центре эксперимента нулевой уровень;

х— натуральное значение фактора (именованная величина в размерности фактора);

х^ - натуральное значение фактора на нулевом уровне; £ - натуральное значение интервала варьирования фактора.

г=(х;в-х1Н)/2 , (31)

где:х; 8 - значение фактора на верхнем уровне; х"- значение фактора на нижнем уровне.

Таблица 4.

Матрица плана._г___

У'ропеш. и интериа.-! варьирования факторами Фактор Критерий оп-тимиза ции

Угол отклонения про д. оси симметрии дозатора от вертикали, а,град Величина хода поплавкового узла, Б, мм Расход дозируемой жидкости, кг/мин Погрешность дозатора, %

Верхний уровепь(+) Основной уровень(О) Нижний уровень (-) Интервал варьирования 10 5 0 5 6 5 4 1 5,5 4 2,5 1,5

1 + + + 0,6

2 + + _ 0,6

3 + - + 1,27

4 + - _ 1,04

5 - - _ 1,03

6 _ + _ 0,33

7 - - + 0,63

8 _ + + 1,02

9 0 0 0 0,79

Реализацию эксперимента проводили по полнофакторному двухуровне-юму плану, представленному в таблице 3.1. Третий уровень был взят для [роверки адекватности эксперимента.

Повторность опытов десятикратная. В качестве дозируемой жидкости юпользовалась водопроводная вода. В качестве критерия оптимизации была [ринята погрешность работы дозатора. В результате расчета коэффициентов агрессии на ЭВМ получено уравнение регрессии

у= 0,787 + 0,687x1 - 0,231х2 + 0,186х3 + 0,063х,х2 + 0,124х,хз - 0,072х2х3 -0,039х,2-0,101х22 + 0,080хз2 . (32)

С целью проверки нуль-гипотезы об адекватности представления провеса полученным полиномам второй степени, а также определения значимо-ти его линейных и квадратичных членов был выполнен регрессионный ана-[из с использованием 1 - критерия Стыодента и Р - критерия Фишера. Про-;ерка показала, что с 95 % доверительным уровнем полученный полином 32) адекватно описывает процесс функционирования дозатора.

Анализ уравнения (32) показал, что на изменение критерия оптимизации погрешность дозирования) наиболее существенное влияние оказывает фак-ор Х(. Причем увеличение факторов X/ и Х3 увеличивает критерий оптими-ации, а увеличение фактора Х2 уменьшает его. После раскодировки пере-1енных получим уравнение для натуральных значений факторов

П = 0,456 + 0,038а - 0,8258 +1,263(3 + 0,096а8 + 0,081а<3 -

9 2 2 (33)

-0,4865(3 + 2,412а -0,97382 +1,168(22

Расчетные данные, полученные с помощью уравнения (33) достаточно хорошо согласуются с экспериментальными. При подстановке в это уравнение факторов на нулевых уровнях (Х| = 5 град., хг = 5 мм и хз = 3 кг/мин.) погрешность дозирования составила 0,81 %, а ее экспериментальное значение составляет П = 0,79 %.

Для определения оптимальных значений факторов составлена система уравнений в частных производных по каждому из факторов

0,687 + 0,063х2 + 0,124хз + 0,078х, = 0

- 0,231 + О.ОбЗх, - 0,072хз - 0,202х2 = 0

0,186 + 0,124х, - 0,072X2 + 0,160х3 = 0

Результаты решения системы уравнения представлены в таблице 5.

При подстановке оптимальных значений факторов в уравнение 33 получено значение погрешности дозирования П = 0,32 %.

Таблица 5

Оптимальные значения факторов_

Значения факторов

Кодированные Натуральные

X, Х2 Х3 град мм л/мин

-1,00 0,62 -0,68 0 5,62 2,98

Таким образом, с применением методики планирования многофакторного эксперимента получены оптимальные значения факторов, влияющих на процесс учета надоев молока групповым дозатором.

По окончании поисковых опытов с целью выявления влияния плотности дозируемой жидкости на стабильность работы дозатора был выполнен одно-факторный эксперимент, в котором фактор ( плотность жидкости) имел три уровня значений. В качестве модельной жидкости использовались:

- дизельное топливо плотностью 809 кг/м3;

- чистая водопроводная вода плотностью 1000 кг/м3;

- раствор поваренной соли в воде плотностью 1200 кг/м3.

Результаты эксперимента были подвергнуты регрессионному анализу, выполненному на ПЭВМ IBM PC.

Зависимость величины массы дозы М от плотности измеряемой жидкости р описывается следующим уравнением регрессии

М = 3,068 - 5,442 х 10"5р (34)

Малая величина коэффициента при независимой переменной р свидетельствует о незначительной зависимости массы дозы от плотности.

Дисперсионный анализ результатов эксперимента позволил определить критические границы для критерия F, равные при 5% - ном уровне значимости 19,46 и 1% - ном - 99,47. Расчетное значение F - критерия, равное 2,3, не

J3

тревышает указанные границы. Что дает основание утверждать о независимости массы дозы от плотности измеряемой жидкости.

Производственные испытания рабочего макета дозатора проводились на молочной ферме Учхоза "Пушкинское" СПГАУ. Испытуемый дозатор был остановлен на место демонтированного серийного дозатора АДМ - 52.000, (сильной установки АДМ-8А-1.

Основные цели эксперимента: 1) выяснить работоспособность дозатора в 1роизводсгвенных условиях; 2) определить среднюю погрешность измерения лассы дозы;. Численное значение массы дозы определялось путем взвешива-шя мерной вакууммированной емкости после каждого срабатывания дозато-)а. Вместимость мерной емкости составляла 40 кг.

Интенсивность доения определялась с помощью прибора "PULSATOR TESTER" РТIV Голландской фирмы D.DRIE. ELEKTRONIK.B.V. Прибор РТ V представляет собой переносную микро ЭВМ, имеющую все необходимые >локи и устройства современных ЭВМ: процессор, оперативное запоминаю-цее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), 2-х :трочный дисплей, принтер, таймер, клавиатуру управления. Прибор имеет та датчика давления, сигнал с которых после обработки в процессоре, выво-щтся либо на дисплей, либо печатается на бумажной ленте шириной 60 мм. 3 наших экспериментах прибором РТ IV измерялась величина вакуума в верной камере дозатора. Результаты измерений в качестве индикаторной щаграммы печатались на бумажной ленте. Индикаторная диаграмма позво-шла определить длительность времени каждого цикла работы дозатора, со-:тоящего из времени накопления (формирования) дозы, времени продувки верной камеры и времени переходных процессов. Для регистрации длитель-юсти цикла запись диаграмм производилась в масштабе оси времени, равной ),5 с/мм. Перед испытанием дозатор настраивался на измерение установлен-юй (принятой) массы дозы 3 кг.

За время испытаний было произведено 129 измерений массы одной до-¡ы. После статистической обработки средняя масса дозы при доверительном 'ровне вероятности 0,95 оказалась равной 2,996+0,005 кг и относительной югрешностью при том же уровне вероятности ±1,8 %, что меньше допускаемой (+3%) относительной погрешности серийного дозатора АДМ-52.000.

Раздел 6 «Оптимизация конструктивных параметров централизованных вакуумных систем» посвящен исследованию проблем функциони-гавания централизованных систем.

В связи с нашими предложениями об увеличении количества обслужи-*аемых доильных аппаратов одним оператором с 3 до 5 в вакуумной системе зезко, почти в 2 раза, возрастает расход воздуха.

На крупных молочных фермах с поголовьем более 400 коров во многих регионах РФ широко используются централизованные вакуумные системы на 5азе водокольцевых вакуумных насосов ВВН-3; ВВН-6; ВВН-12, а также их ¡арубежных аналогов. Преимущества водокольцевых вакуумных насосов в сравнении с роторпо - пластинчатыми типа УВУ-60/45 хорошо известны, а

их экономическая целесообразность убедительно доказана в работах ВНИ-ИМЖ; ВИЭСХ; СИБНИПТИЖ и др.

Вместе с тем на практике при эксплуатации централизованных вакуумных систем на базе водокольцевых насосов встречается целый ряд проблем, снижающих экономический эффект использования этих систем:

- мало исследованы водокольцевые вакуумные насосы как источники тепловой энергии в системе централизованных вакуумных установок молочных ферм;

- отсутствуют рекомендации с алгоритмами и программами машинной обработки информации с помощью современных персональных компьютеров по рассматриваемой проблеме;

- существующие рекомендации не раскрывают полной методики расчета и выбора составляющих звеньев централизованной вакуумной системы: водокольцевых насосов, диаметров магистрального вакуумпровода, вместимости водяного резервуара при закольцованной системе водоснабжения, вакуумре-гуляторов, а предлагают воспользоваться одним из готовых вариантов, просчитанных на "больших" ЭВМ, применительно к определенным размерам молочных ферм.

Однако воспользоваться данными рекомендациями в ряде случаев не представляется возможным потому, что:

- Во — первых, просчитанные варианты не могут охватить все разнообразие планировок молочных ферм России.

- Во - вторых, названные рекомендации имеют некоторые недостатки методического характера, показанные нами ниже.

В результате на практике при эксплуатации централизованных вакуумных систем на базе водокольцевых вакуумных насосов довольно часто встречаются следующие виды малоэффективных технических решений:

- теплую воду, прошедшую через насосы, сливают в канализацию;

- при закольцованной системе водоснабжения насосов выбирают водяной резервуар недостаточной вместимости, что вызывает нагрев воды в нем за время дойки до 60 - 70 °С. Это резко снижает подачу насосов и вызывает кавитацию;

- не рассчитывают диаметр магистрального вакуумпровода. В результате чего используют трубы либо заниженного, либо неоправданно завышенною диаметра;

- интуитивно подбирают вакуумрегуляторы для централизованной вакуумной системы.

Разработка методики проектирования централизованных вакуумных систем ЩВО В существующих рекомендациях при расчете диаметра магистрального вакуумпровода предполагается размещение ЦВУ только на одном конце вакуумпровода при любой планировке молочной фермы. По нашему мнению ЦВУ необходимо размещать на магистральном вакуумпро-воде в точке, удаленной от начала вакуумпровода на оптимальное расстоянии Ь. В этом случае величина диаметра Б магистрального вакуумпровода значительно уменьшится. Расчет оптимального диаметра магистрального вакуум-

фовода и оптимальной координаты Ь предлагаем выполнять по следующему шгоритму.

а) В масштабе вычерчивается расчетная схема магистрального вакуумпро-зода с указанием на ней мест присоединения потребителей вакуума, расхода юздуха потребителями и длины каждого участка. На схеме вся трасса изо-5ражается прямой линией, а изломы и повороты трассы, имеющиеся в нату-зе, будут учтены соответствующими коэффициентами местного сопротивле-тя. В качестве конкретного примера предлагается схема Рис 7.

б) Централизованная вакуумная установка условно размещается сначала на >дном конце магистрального вакуумпровода, например, на правом Рис 6. на лесте присоединения потребителя вакуума А7. Сам потребитель А7 в этом ;лучае условно аннулируется. При такой схеме весь воздух от потребителей закуума А|.. Ль будет течь по трубе слева направо.

в) Диаметр вакуумпровода принимается равным начальному диаметру

г) По известным методикам вычисляется падение вакуума на сопротивле-ше по длине и местные сопротивления на каждом участке /,.../6 нарастающим итогом.

д) Выбирается прямоугольная система координат с осями Р и Ь. Начало ;истемы координат помещается в начало магистрального вакуумпровода Рис 7)(левый конец вакуумпровода). Ось абсцисс Ь совпадает с продольной >сью трубы магистрального вакуумпровода. На оси абсцисс отмечаются уча-;тки вакуумпровода. На ординатах, построенных в этих точках оси абсцисс, ггкладываются соответствующие им величины падения вакуума - Р| . Таким )бразом, будет построена характеристика магистрального вакуумпровода гредставляющая собой ломаную линию, характеризующую зависимость Pi от даны Ь при расположении централизованной вакуумной установки на пра-юм конце магистрального вакуумпровода - линия 1 Рис 7.

ж) Централизованная вакуумная установка условно переносится на другой сонец магистрального вакуумпровода. При этом потребитель вакуума А7 восстанавливается, а потребитель А| аннулируется, так как на его место ус-ювно присоединяется ЦВУ. Диаметр трубы при этом остается прежним. Направление тока воздуха в трубе теперь будет справа налево.

з) По аналогии с пунктами "г" и "д" строится характеристика вакуумпро-юда при расположении ЦВУ на левом конце магистрального вакуумпровода - линия 2 Рис 7. Характеристики (1) и (2) пересекутся в точке О. Абсцисса >той точки определит место расположения ЦВУ на магистральном вакуум-троводе. На рисунке 6. ЦВУ должна быть смонтирована в точке "Ц" магистрального вакуумпровода, отстоящей от начала вакуумпровода на расстоянии

Ордината О*- О показывает падение вакуума в местах присоединения по-гребителей А! и А7 при расположении ЦВУ в точке "Ц". Падение вакуума у фугих потребителей будет еще меньше.

и) Расчетная величина Р сравнивается с допускаемой Рдоп . Если Р расчет-юе окажется больше допускаемой величины, принятый начальный диаметр } магистрального вакуумпровода увеличивается на величину шага Ош. Весь засчет возвращается в начало цикла и продолжается до выполнения условия

Р < Рдоп (35)

На N - ом цикле расчета при достижении условия (51) производится вычисление координаты точки О и на печать выдается информация, содержащая исходные данные и расчетные показатели.

Выбор и использование водокольцевых насосов как источников вакуума и источников горячего водоснабжения.

Тепловой режим водокольцевых вакуумных насосов.

Уравнение баланса мощности И, подводимой к водокольцевому вакуумному насосу имеет вид.

N=N« + N^N4, (36)

где: 1ЧСЖ-мощность на сжатие паро-воздушной смеси, кВт;

]\(г - мощность гидродинамических потерь, кВт;

Ытр - мощность на трение в подшипниках и сальниках, кВт.

По данным литературных источников И1р составляет 1... 1,5% от N.

Мощность Ысж целиком превращается в тепло, отводимое от насоса с водой, с воздухом и в результате теплообмена между поверхностью насоса и окружающей средой.

По данным профессора В.Д. Лубенца количество теплоты, отводимое от насоса перекачиваемым воздухом и потерями через теплообмен между окружающей средой и поверхностью насоса, составляет около 10%. Таким образом, мощность на гидравлические потери и на нагрев воды в водокольцевых насосах составляет около 88% подводимой мощности.

Профессор В.Д. Лубенец, изучая процесс работы ротационно-жидкостных машин, пришел к выводу о том, что "... при постоянном расходе жидкости ее температура постоянна, не зависит от угла поворота ротора 0 и практически не зависит от давления всасывания. Температура жидкости в жидкостном кольце Тж к. зависит от массового расхода жидкости и от физических свойств жидкости". Этот важнейший вывод позволяет в производственных условиях, измерив температуру воздуха на входе в насос, на выходе из него и расход воды, определить часть мощности электродвигателя, затрачиваемой на нагрев воды.

0 = Мвса2-11) (37)

где: О - количество теплоты, отводимое от насоса водой, кДж/с (кВт);

Мв - секундный расход воды через насос, кг/с ;

с - теплоемкость воды, кДж/(кгхград);

Хг ; ^ - температура воды соответственно на входе и выходе из насоса,

Рус. о Ст&мы дозаторов Поппавкового типа опя измерения

¿руппового Надоя 3 '

(- сумматору ¿ - наконечник; 5- це,нтращ.ный и^ток- 4 - стакан приамнси комары-

5- основной кпапан• б- стакан мерной камеры^ £ ~ обратный каапан,

8- поппавок■ КП8 ~ Камгра переменного 'вакуупа; Wlfi-KaMtpa постоянного

атмоссргрною давленая; ПК- приемная кам&ра^ И К- мерная катера-

РИС 7 Характеристики магистрального вакуумпровода при размещении ЦВУ на правом (1) и на левом (2) конце вахуумлровоца.

По аналогии с водонагревательными устройствами этот показатель можно шзвать теплопроизводительностыо водокольцсвого насоса.

На молочной ферме учхоза "Пушкинское" Санкт - Петербургского ГАУ в ¡993 - 1995г. автором были произведены эксперименты по определению теп-юпроизводителыюсти водокольцевых насосов ВВН1—3; BBII1-6; и ВВН1-[2. Эксперименты проводились в летнее время при температуре воздуха в юмещении вакуумных насосов 18. ..23 0С. После обработки результатов экс-1ериментов получены следующие результаты:

С вероятностью 0,8 теплопроизводительность водокольцевых вакуумных 1асосов оказались равной ВВНЗ...З,85 ± 0,22 кВт, ВВН6...7,20 ± 0,47 кВт, ЗВН12... 14,5 ± 05 кВт. Полученные результаты позволяют по известным методикам выполнять расчет и подбор теплообменного оборудования в системе '.амкнутого водоснабжения насосов и в частности расчет вместимости водо-:борного резервуара, закольцованного с насосом напрямую без промежуточ-шх теплообменников

V =(3600 Q Т ß)/[p„ с (t„p - tHa,)] (38)

где: V - вместимость теплообменного резервуара, м3; Т - время доения ;тада, г; рв - плотность воды, кг/м3 ; ß - коэффициент, учитывающий тепло-ютери в окружающую среду через стенки резервуара; tnp - предельно допус-саемая температура в баке, °С; tira4 - температура воды в баке перед началом юйки.

Значение предельно допускаемой температуры в технических паспортах на юдокольцевые машины не приводится, не содержат такие сведения и нормы технологического проектирования.

H.A. Яковенко; А.И. Оберемченко; И.К. Хлебников считают, что темпера-гура воды на входе в насос в конце дойки при вакууме 55...60 кПа допустима Ю 45...50 °С. Хотя подача насосов при этих условиях снижается на Ю%.Исходя из сказанного можно принять в дальнейших расчетах t„p = 50 °С. 1ри этих условиях воду из резервуара по окончании доения можно примемте для технических целей как чистую горячую воду. Причем в таком коли-юстве, чтобы полностью заменить воду в резервуаре свежей водопроводной юдой. Так, например, вместимость резервуара V, питающего насос ВВН - 12 три закольцованной схеме водоснабжения, рассчитанная по формуле (38) будет равна

V=(3600 x 15x 3 х0,95)/ [988,1 х 4,19 (50-20)] = 1,377 м3

В качестве резервуаров для закольцованной системы водоснабжения водо-сольцевых насосов можно использовать, например, списанные молочные ганки РПО - 1,6; РНО - 1,6 и другие вместимостью не менее 1400 л.

Число водокольцевых насосов п для централизованной вакуумной системы эпределяется по формуле

П = (ах Е(2;ц;, ЫМ5)/ ч (39)

где: а - коэффициент, учитывающий снижение подачи водокольцевых насосов, равен 1,2.. .1,25 ;£С?уву-г>о/45 — суммарная подача насосов УВУ - 60/45, заменяемых водокольцевыми, м5/с; ц - подача выбранного водокольцевого насоса, м3/с.

Блок - схема алгоритма для разработки программы, сама программа расчета оптимального диаметра магистрального вакуумпровода и оптимальной ■ координаты размещения ЦВУ представлена в диссертации.

Экономическая эффективность основных результатов исследования. В расчете на одну доильную установку АДМ-8А-2 (200) голов при среднегодовом удое 2400 кг/гол.

- Прибыль (в ценах 1996 г) - 10,5 млн. руб. в год за дополнительный объем молока в результате снижения заболеваемости коров маститом.

- Снижение удельного расхода электроэнергии на машинное доение (Квтхчас на 1т молока) в 1,53 раза за счет сокращения длительности каждой дойки и использование на технические цели горячей воды, получаемой при работе водокольцевого насоса по предлагаемой технологии.

Экономический эффект за счет применения дозаторов группового учета надоев предложенной конструкции вместо молочных цистерн установленных навесы составит 10138560 рублей.

Экономический эффект от использования централизованных вакуумных систем, имеющих оптимальные параметры, получаемые по предлагаемой методике, выразить в общем виде не представляется возможным, однако в каждом конкретном техническом проекте он легко вычисляем по общепринятым методикам.

Общие выводы и предложения. 1.'На основе системного анализа с использованием, имитационного статистического моделирования предложена методология оценки качества функционирования СМДК в хозяйственных условиях. Основными критериями, характеризующими качество функционирования СМДК, является вероятностно-статистические характеристики

- интенсивность поступления молока в процессе доения (кг/мин)от группы коров, закрепленных за оператором;

- часовая производительности труда оператора по числу выдоенных коров, гол/час;

- длительность простоя оператора, с;

- длительность холостого доения, с.

2. Методика оценки эффективности функционирования СМДК заключаете* в сравнении фактических значений обобщенного показателя эффективности, полученного в хозяйственных условиях, с заданным, желаемым зна^ чением показателя. Обобщенным показателем эффективности функцио нирования СМДК следует считать интенсивность поступления молока от группы коров, закрепленных за одним оператором (кг/мин). Заданным

желаемым значением обобщенного показателя является численная величина показателя, которая могла бы быть получена при функционировании СМДК в условиях, приближенных к идеальным. Условия, приближенные к идеальным, следует считать такие условия, при которых возмущающие факторы отсутствуют, а процесс доения протекает в полном соответствии с правилами машинного доения коров. Возмущающими факторами процесса машинного доения следует считать несоблюдение распорядка дня на ферме, несоответствие рациона животных зоотехническим нормам, несоответствие параметров микроклимата зоотехническим требованиям, дискомфортное состояние места расположения животного, грубое обращение с животным, явные и скрытые отказы доильной установки. Заданное, желаемое значение обобщенного показателя эффективности функционирования СМДК следует определять путем моделирования на ЭВМ трудового процесса оператора машинного доения в условиях, приближенных к идеальным, с использованием результатов контрольных доек.

. Разработана математическая модель функционирования СМДК в условиях, приближенных к идеальным. На основе аиализа результатов математического моделирования выявлена объективная причина холостого доения - варьирование длительности молокоотдачи коров (3.. .9 мин). Определена численная величина поголовья, подвергающиеся холостому доению сверх допускаемого (60 с) предела в зависимости от вероятностно-статистических функциональных характеристик животного, числа доильных аппаратов у оператора и вероятностно-статистических характеристик трудового процесса оператора машинного доения. Анализ показал, что даже в условиях, приближенных к идеальным, холостому доению свыше 60 с при 3-х доильных аппаратах у оператора подвергается 23,4 %, при 4-х почти 50 % поголовья дойного стада.

. Разработана методика приборного контроля показателей эффективности функционирования СМДК в процессе каждой дойки, предложен принцип работы прибора для регистрации обобщенного оценочного показателя-интенсивности поступления молока от группы доящихся коров. Прибор регистрирует длительность прохождения дозы молока по молочному шлангу дозатора группового учета и длительность формирования каждой дозы молока.

. Результаты математического моделирования работы СМДК позволили определить пути повышения функциональной эффективности работы доильных установок.

5.1. С целью повышения производительности труда оператора и увеличению интенсивности доения на линейных доильных установках за оператором необходимо закреплять 4-5 доильных аппаратов. Каждый доильный аппарат, независимо от их числа у оператора, должен комплектоваться устройством защиты молочной железы (УЗМЖ) от вредного воздействия вакуума при холостом доении.

5.2. Доильные установки «Елочка» в условиях отсутствия возможности комплектования технологических групп коров с одинаковым временем доения должны иметь комплектность 2x5, либо 2x6 вместо серийно выпускаемых 2x8.

5.3. Путем механизации, автоматизации и роботизации сокращать затраты ручного труда операторов на заключительные и вспомогательные операции машинного доения коров до 22...24 с/гол., что вызовет повышение производительности труда операторов на 18...22 % и, следовательно, сокращение общей длительности дойки и экономию тепловой и электрической энергии.

6 Эргономические исследования трудового процесса операторов машинного доения позволили выявить возможность интенсификации трудового процесса операторов за счет повышения количества обслуживаемых доильных аппаратов, определить наиболее энергоемкие операции в процессе. Таковыми являются различного рода вспомогательные операции (ручная раздача комбикорма, чистка стойла и коров, поднос горячей воды из блока вспомогательных помещений). Освобождение оператора от этих операций или их механизация (автоматизация) позволит снизить энергограты женщины-оператора до уровня труда легкой тяжести, что позволит оператору обслуживать 4...5 доильных аппаратов с автоматическими от-ключателями.

7 На основе методов теории автоматического регулирования и теории тепло — массообменных процессов, протекающих в молочном шланге доильного аппарата, разработана конструкция автоматического отключателя доильных аппаратов с тепловым датчиком и исполнительным механическим механизмом. Экспериментальные исследования отключателя подтвердили высокую эффективность защиты молочной железы коровы данным УЗМЖ от вредного воздействия вакуума при холостом доении. Небольшие габариты и малая масса (340 г) позволяют использовать разработанный вариант отключателя на переносных доильных аппаратах линейных доильных установок.

8 Теоретический анализ рабочего процесса дозаторов поплавкового типа с поплавком, расположенным в приемной камере, позволил выявить причины отказов в работе этих дозаторов. Главными причинами отказов являются изменение вакуума в вакуумной системе и изменение плотности молоковоздушной смеси в интервале 700... 1030 кг/м3. Изменение плотности в свою очередь определяется конструктивными особенностями моло-копроводной линии (наличие резких подъемов и спадов, резких поворотов, наличие негерметичных стыков, пропускающих большой объем воздуха в качестве прососов). Теоретический анализ рабочего процесса дозаторов поплавкового типа позволил определить тип дозатора, на рабочий

" процесс которого изменение плотности молоковоздушной смеси влияние не оказывает. Таковым типом является дозатор с поплавком, расположенным в мерной камере. Рабочий макет дозатора, выполненный в соответствии с разработанной методикой инженерного расчета, в эксперименталь-

ных исследованиях показал высокую точность измерения установленной массы дозы (коэффициент вариации массы дозы при ее величине в 3 кг оказался равным ±0,93%).

На основе гидродинамической теории течения жидкостей и газов в трубах разработана методика инженерного расчета оптимальных параметров централизованных вакуумных систем на базе водокольцевых вакуумных насосов для крупных молочных ферм с применением современных персональных компьютеров. Разработаны блок - схемы алгоритмов и программы для компьютеров IBM PC.

На основе экспериментальных исследований водокольцевых вакуумных насосов, как источников тепловой энергии для нагрева воды, определена с вероятностью 0,8 теплопроизводитедьность насосов: ВВНЗ ... 3,85 ± 0,22 кВт ; ВВН6 ... 7,2 + 0,47 кВт; ВВН12 ... 14,5 ± 0,5 кВт. Предложена методика инженерного расчета бака - аккумулятора теплой воды, работающего в закольцованной системе водоснабжения водокольцевого насоса.

Методология оценки качества функционирования системы машинного доения коров может быть использована для оценки качества функционирования системы машинного доения других сельскохозяйственных животных.

Результаты исследований являются научной и практической базой для повышения экономической эффективности использования доильных установок за счет модернизации выпускаемых сегодня доильных установок с молокопроводом, а также разработки новых конструкций установок Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

A.C. № 1676537, кл. А01 J 7/00. Устройство для учета количества молока при доении. Квашенников В.И., Еникеев В.Г., Кохан Г.С. Опубликовано 15.09.91. Бюл. №34.

A.C. № 1711736, кл. А 01 J 7/00. Система для многоканального учета количества надренного молока в процессе группового доения. В.Г. Еникеев,

B.И. Квашенников, Г.С. Кохан. Опубликовано 15.02.92. Бюл. №6.

A.C. № 1790879. кл. А 01 J 7/00. Устройство контроля молока в молочном шланге доильной установки. В.Г. Еникеев, В.И. Квашенников, Г.С. Кохан. Опубликовано 30.01.93. Бюл.№4.

Квашенников В.И. Технология машинного доения коров на доильных установках с молокопроводом,- Записки ЛСХИ, т. 243, 1974. Патент №2093018 на изобретение «Дозатор для группового учета молока» от 20 октября 1997 г. Авторы Квашенников В.И., Барсов H.A., Бунин И.А., Круглов С.А.

Квашенников В.И. Анализ перемещения оператора по коровнику при работе на доильных установках с молокопроводом. Записки ЛСХИ, т.260, 1974.

7. Квашенников В.И. Метод автоматического управления процессом получения молока. Материалы Ш Всесоюзного симпозиума по физиологии доения: Боровск, 1974.

8. Квашенников В.И., Шкулов B.JL, Коппель Б.Э. Эргономический анализ трудового процесса оператора машинного доения коров. - Животноводство, 1980,№1. . -

9. Квашенников В.И.,Коппель Б.Э. Рекомендации мастеру машинного доения коров. Л. 1979.

10.Квашенников В.И., Вагин Б.И., Барсов H.A. Установка в работу и испытание вакуумного оборудования доильных установок. Л. Пушкин, 1979.

11 .Агеев Л.Е., Андреев П.В., Мельников C.B., Квашенников В.И., Рощин П.М. Эксплуатация технологического оборудования ферм и комплексов (учебное пособие).-М.; Колос, 1980.

12.Квашенников В.И. Оценка герметичности вакуумных систем доильных установок. Материалы VI Всесоюзного симпозиума по машинному доению сельскохозяйственных животных. М.; 1983.

13.Квашенников В.И. Машинное доение коров (пособие лектору). Л. 1983.

14.Квашенников В.И. Правила машинного доения - закон для животновода (рекомендации). Управление с-х. Леноблисполкома, Л. 1985.

15.Квашенников В.И., Барсов H.A., Бунин И.А., Бунин С.И. Влияние некоторых параметров доильных установок на качество работы групповых дозаторов молока. - Оренбург, 1997.

16.Квашенников В.И. Анализ причин колебания вакуума в вакуумных системах доильных установок. Сб. трудов ЛСХИ, Л. 1986.

17.Агеев Л.Е., Мельников C.B., Николаев Д.И., Квашенников В.И., Рощин П.М. Эксплуатация технологического оборудования ферм и комплексов (2-е издание).- М.; Агропромиздат, 1986.

18.Квашенников В.И. Применение программируемых микрокалькуляторов для технологических расчеиов в животноводстве. Л. Пушкин, 1987.

19.Квашенников В.И. Доильные установки (кинофильм), киностудия Ленна-учфильм,1988.

20.Бунин И.А., Квашенников В.И. Влияние тонуса сфинктера соска на скорость молоковыведения. Тезисы докладов. VII Всесоюзный симпозиум по машинному доению с-х. животных,Л. 1988.

21.Квашенников В.И. Применение программируемых микрокалькуляторов при самостоятельной работе студентов по курсу "Механизация животноводческих ферм". Л. Пушкин,1988.

22.Лекарев, В.И. Квашенников, Э.Б. Туманова. Машинное доение коров. Телефильм, Волгоградская студия телевидения, Волгоград, 1990.

23.Квашенников В.И. Методика расчета централизованной вакуумной системы крупных молочных ферм.- Материалы Всесоюзной научно-технической конференции,- М.; 1990.

24.Бунин И.А., Квашенников В.И. Приспособление для резки стеклянные труб молокопроводов (информ. листок №196-91) Оренбург, 1991.

!5.Квашенников В.И., Огородников П.И. О комплексном подходе к проектированию и разработке средств механизации в молочном животноводстве. Сб. научных трудов ЛГАУ, Л. 1991.

;6.Бабьева М.И., Бунин И.А., Квашенников В.И. К теоретическому обоснованию доильного аппарата. Сб. тезисов докладов XI республиканской конференции молодых ученых и специалистов. Оренбург, 1992.

'.7.Бабьева М.И., Бунин И.А., Квашенников В.И. Определение инмтенсивно-сти молоковыведения в производственных условиях. Сб. тезисов докладов XI республиканской конференции молодых ученых и специалистов. Оренбург, 1992.

:8.Квашенников В.И. Правильный выбор доильного аппарата- залог успеха при машинном доении - Журнал " Мясомолочное скотоводство". Ингер-манландская земледельческая школа, С-П, Пушкин, 1994.

:9 .Квашенников В.И. Машинное доение коров (учебное пособие). " Мясомолочное скотоводство". Ингерманландская земледельческая школа, С-П, Пушкин, 1994.

О.Квашенников В.И., Огородников П.И. Алгоритмизация задачи оптимизации средств механизации. Сб. трудов СПГАУ, 1994.

1 .Квашенников В.И. Теоретические основы диагностирования негерметичности молоконроводов доильных установок.- Техника в сельском хозяйстве, №4, 1995.

2.Барсов H.A., Квашенников В.И., Бунин И.А. Об опыте применения водокольцевых вакуумных насосов. Сб. тезисов докладов научно - практической конференции. Оренбург, 1995.

3.Бабьева М.И., Бунин И.А., Квашенников В.И. Сравнительные производственные испытания экспериментального доильного аппарата. Сб. тезисов докладов на VIII (I Всероссийском симпозиуме по машинному доению с-х. животных). Оренбург, 1995.

4. Барсов H.A., Квашенников В.И., Бунин И.А., Круглов С.А. Анализ причин отказов дозаторов группового учета надоев. Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1995, №4.

5.Барсов H.A., Квашенников В.И., Иванников П.В. Пневмогидравлический насос для перекачки молока на подъемных участках молокопроводов до-' ильных установок. Материалы VIII(I Всероссийского симпозиума по машинному доению сельскохозяйственных животных).- Оренбург, 1995.

6.Барсов H.A., Квашенников В.И., Иванников П.В. Теоретические основы диагностирования негерметичности молокопроводов методом поршневого индикатора. Материалы VIII(I Всероссийского симпозиума по машинному доению сельскохозяйственных животных).- Оренбург, 1995.

7.Барсов H.A., Квашенников В.И., Круглов С.А. Анализ причин неудовлетворительной работы дозаторов группового учета надоев молока на моло-копроводе. Материалы VIII(I Всероссийского симпозиума по машинному доению сельскохозяйственных животных).- Оренбург, 1995.

8.Квашенников В.И. Некоторые особенности функционирования доильных установок с молокопроводом, имеющим противоуклонные участки Мате-

риалы VIII(I Всероссийского симпозиума по машинному доению сельскохозяйственных животных). Оренбург, 1995, с. 69-70.

39.Квашенников В.И., Мирзалиева JI.M. Тестирование доильных установок (рекомендации). Санкт — Петербург, 1996.

40.Барсов H.A., Квашенников В.И., Бунин И.А., Круглов С.А. Математическое обоснование конструкции дозатора молока. Оренбург, 1997.

41.Бунин И.А., Квашенников В.И. Математическое обоснование необходимости воздухораспределительных устройств в доильных установках. Оренбург, 1997.

42.Бунин И.А., Барсов H.A., Квашенников В.И. Использование персональных компьютеров для контроля качества функционирования системы ЧМЖ при машинном доении коров. Сб. IX Международный симпозиум по машинному доению сельскохозяйственных животных. - Оренбург, 1997.

43.Барсов H.A., Квашенников В.И., Бунин И.А. К вопросу об оценке эффек-

• тивности функционирования системы «человек — машина - животное»

(ЧМЖ) при машинном доении коров. Сб. IX Международный симпозиум по машинному; доению сельскохозяйственных животных. - Оренбург, 1997.

44.Барсов H.A., Квашенников В.И., Иванников П.В. Моделирование системы машинного доения коров. Юбилейный сборник трудов СПГАУ. Санкт-Петербург, Пушкин, 1997.

Отпечатано ООО "Р-Принт" т.100 21.05.1998



X

л

s

I

é i

к

с «

i

s

oi

pi (\

i

ж

<J Ni

i

«

I

M Nj

0}

; тл

II: !■ i

izzyx :сни

§

/ - -, _. с>.\

'latí* УЛ •

5 J 4 / V

* *

ti

I

S

<ü

7-// ц

ч.

/

Санкт - Петербургский государственный аграрный университет

Квашенников Василий Иванович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАШИННОГО ДОЕНИЯ КОРОВ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ

ДОИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства

05.20.03 - эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

член-корреспондент Академии аграрного образования, доктор технических наук, профессор Барсов Н.А.

I

На правах рукописи

Санкт - Петербург

Введение............................................................................ ^

1. Состояние проблемы и задачи исследования............................ ¡1

1.1. Краткая характеристика современных доильных установок, используемых на крупных молочных фермах................................. ' ?

1.2.Основные проблемы использования линейных доильных установок АДМ-8 А...................................................................

1.2.1. Проблема качества функционирования оператора как биологического звена системы........................................................ ¿М

1.2.2. Эргономические проблемы............................................. 2 ь

1.2.3. Проблемы снижения качества молока................................ 23

1.2.4. Проблема учета группового надоя.................................... 32

1.2.5. Проблемы качества вакуумметрического давления............... 35

1.3. Обзор научных исследований, направленных на повышение эффективности использования доильных установок..................... 35

1.4. Постановка проблемы, ее содержание.................................. 51

2. Теоретические основы оценки качества функционирования системы машинного доения коров (СМДК)..................................... 6 2

2.1. Системный подход к оценке функциональной эффективности СМДК.............................................................................. 6 2

2.2. Математическая модель функционирования системы машинного доения коров (СМДК)....................................................... 70

2.2.1. Классификация видов моделирования сложных систем......... 70

2.2.2. Построение математической модели функционирования системы машинного доения коров (СМДК).................................... 76

2.2.2.1. Постановка вопроса.................................................... 7£

2.2.22. Разработка математической модели СМДК...................... 73

2.3. Процедура статистического моделирования системы машинного доения коров (СМДК)....................................................... 82

2.3.1. Алгоритмизация имитационной модели СМДК...................<§2

2.3.2. Генерация случайных чисел............................................. 85

2.3.3. Разыгрывание нормально распределенных случайных величин 38

2.3.4. Оценка качества датчиков случайных чисел........................ $0

2.3.5. Оценка точности результатов статистического моделирования $2

2.4. Моделирование процесса машинного доения коров при работе СМДК без учета возмущающих факторов................................... 95

2.4.1. Моделирование процесса работы оператора, обслуживающего один доильный аппарат......................................................... 9.5

2.4.2. Моделирование процесса машинного доения коров при работе оператора с п доильными аппаратами................................... 9 /

2.4.3. Моделирование величины удоя........................................ >ог

2.5. Оценка эффективности функционирования СМДК в производственных условиях............................................................... ¡0%

2.5.1. Классификация допусков на варьирование показателей эффективности функционирования СМДК.................................... 108

2.5.2. Оценка функциональной эффективности СМДК.................. Ш

2.6. Приборный контроль эффективности СМДК в производственных условиях...................................................................... Н5

2.7. Апробирование методики оценки эффективности функционирования СМДК в производственных условиях............................. ''2$

2.7.1. Статистическая характеристика случайных величин, действующих на входе в модель СМДК............................................. 12ч

2.7.2. Моделирование выходных параметров - показателей функциональной эффективности СМДК...........................................*5 о

2.7.3. Анализ результатов моделирования...................................¡36

2.7.4. Использование методики оценки функциональной эффективности в производственных условиях.......................................... \Н 5

Выводы..............................................................................

3. Эргономический анализ трудового процесса оператора машинного доения коров.................................................................... ^ ^

3.1 Эргономический анализ труда доярок при ручном доении......... '523.2 Эргономический анализ труда доярок при машинном доении.... I$3 3.3 Эргономический анализ труда доярок при выполнении подсобных работ..........................................................................

Выводы.............................................................................. (5/

4. Обоснование конструкции устройства защиты молочной железы (УЗМЖ) от вредного воздействия вакуума при холостом доении...... 1

4.1. Функциональная схема доильной установки АДМ-8............... 1

4.2. Анализ концепций развития доильных аппаратов и устройств, защищающих молочную железу от вредного воздействия вакуума в процессе молокоотдачи и после ее окончания............................. i 60

4.3. Требования к конструкции УЗМЖ автономного функционирования................................................................................ /74

4.4. Исследование тепломассообменных процессов в молочном шланге доильного аппарата во время доения коровы с целью обоснования конструкции теплового датчика.................................... /

4.4.1. Схема теплового датчика................................................ (

4.4.2. Теплообменные процессы, протекающие в молочном шланге..

4.4.3. Вывод соотношения между температурой смеси и расходом молока.............................................................................. 183

4.4.4. Анализ термочувствительности датчика...........................

4.4.5. Вывод дифференциального уравнения работы термобаллончика............................................................. /%€

4.5. Методика инженерного расчета параметров термочувствительного датчика...................................................................... /93

4.6. Экспериментальные исследования рабочего процесса доильного аппарата, оборудованного устройством защиты молочной железы от вредного воздействия вакуума при холостом доении.................

4.6.1. Программа и методика экспериментального исследования......

4.6.2. Методика экспериментального исследования изменения температуры в молочном шланге и изменения вакуума в молочном

шланге и шланге переменного вакуума в процессе доения коровы... / 93

4.6.3. Лабораторные испытания отключателя.............................. 20/

4.6.4. Производственные испытания отключателей

"РОД-1 "и "РОД-2"............................................................ 20$

4.6.5. Методика производственных испытаний доильных аппаратов, оборудованных отключателем "РОД - 2".................................... 20$

4.6.6. Результаты испытаний и анализ опытных данных................. 2/2

4.6.7. Влияние отключателя "РОД - 2" на эффективность защиты тканей вымени коров от вредного воздействия вакуума при холостом доении........................................................................ 2/9

4.6.8. Влияние двухтактного доильного аппарата на состояние вымени коров после срабатывания автоматического отключателя (аппарат после срабатывания отключателя продолжает оставаться на

вымени)............................................................................. 2 2/

5. Научно - технические основы повышения эффективности работы приборов для учета группового надоя....................................... 2?5

5.1. Особенности рабочих условий приборов учета надоев, работающих в поточной технологической линии (ПТЛ) доения............ 2.25

5.2. Анализ структурных схем дозаторов группового учета надоев

на линейных доильных установках с молокопроводом.................. 22?

5.2.1. Классификация измерительных устройств учета группового надоя................................................................................ '2.2 7

5.2.2. Анализ рабочего процесса дозаторов с поплавком, расположенным в приемной камере................................................... 22 3

5.2.2.1. Влияние стабильности вакуумметрического давления на рабочий процесс дозаторов....................................................... 22 9

5.2.2.2. Влияние плотности молоковоздушной смеси на рабочий процесс дозаторов............................................................... 2 57

5.2.3. Анализ рабочего процесса дозаторов с поплавком, расположенным в мерной камере...................................................... 24 2

5.2.3.1. Принцип действия дозаторов....................................... 242.

5.2.3.2. Анализ рабочего процесса дозатора............................... 2 ^С

5.3. Методика инженерного расчета дозатора с поплавком, расположенным в мерной камере................................................... 2 50

5.3.1. Исходные данные........................................................ 250

5.3.2. Последовательность расчета конструктивно - технологических параметров дозатора..................................................... 252

5.4 Методика и результаты экспериментальных исследований рабочего процесса устройства для группового учета надоев молока...... 2 57

Производственные испытания................................................ 265

Выводы............................................................................. 268

6. Оптимизация конструктивных параметров централизованных вакуумных систем (ЦВУ)......................................................... 2 70

6.1. Разработка методики проектирования централизованных вакуумных систем (ЦВС)............................................................. 27 (

6.1.1. Разработка методики расчета оптимального диаметра магистрального вакуумпровода........................................................ 2 71

6.1.2. Вычисление координат точки пересечения характеристик...... 2 2в

6.1.3. Выбор и использование водокольцевых насосов как источников вакуума и источников горячего водоснабжения..................... 281

6.1.3.1. Технические характеристики водокольцевых насосов.........2& (

6.1.3.2. Тепловой режим водокольцевых вакуумных насосов...........

Выводы.............................................................................. 2.8С

7. Экономическая эффективность основных результатов исследования................................................................................... 282

Общие выводы и предложения....................................... 2 Во

п итератор а 2. Эй

Приложения $

Введение.

Состояние молочно-товарного комплекса РФ за последние годы характеризуется сложившейся и продолжающей углубляться тенденцией резкого спада производства молока к уровню 1986.. .1990 г.г. на 24.. .26 %, молочной продуктивности коров более, чем 350 кг и снижение численности поголовья коров. Резкий спад производства обусловлен нарушением производственных связей, сложившихся между сельским хозяйством и другими отраслями, установлением неэквивалентного обмена продукцией между ними, опережающим ростом цен на промышленную продукцию и энергоресурсы. Последнее определило стоимостную недоступность технических, материальных ресурсов и привело к значительному росту себестоимости всей сельскохозяйственной продукции и в особенности молока. Сегодня во время становления рыночных отношений в сельском хозяйстве снижение себестоимости производства молока за счет новых технических и технологических решений является актуальнейшей задачей.

Машинное доение коров, являясь заключительным этапом процесса производства молока, определяющим образом оказывает влияние на такие важные экономические показатели как продуктивность и состояние здоровья животных (полнота выдаивания, раздой, маститы), качество молока, затраты тепловой и электрической энергии, энергонапряженность труда операторов машинного доения.

Всесторонние исследования процесса машинного доения коров и его особенностей, проведенные в нашей стране и за рубежом, а также широкий опыт применения доильных установок в ряде стран мира свидетельствуют о том, что машинное доение коров нередко оказывается неэффективным и приводит к снижению продуктивности животных, ухудшению качества молока, увеличению себестоимости продукции молочного жи-

вотноводства. Доильные агрегаты (установки) в процессе функционирования представляют собой сложные биотехнические системы, работающие в условиях изменяющихся внешних воздействий, обусловленных многочисленными разнообразными факторами. Система «человек - машина - животное» является сложной вероятностной системой, так как входные и выходные векторные функции являются переменными, изменяющиеся во времени случайным образом.

В общем случае на работу системы во время машинного доения влияют следующие факторы: внешняя среда, управляющие воздействия оператора, исполнительный механизм, характеристики животного

Внешняя среда может быть положительной (направленной на поддержание рефлекса молокоотдачи и дальнейшее его укрепление), нейтральной или отрицательной (тормозящей рефлекс молокоотдачи).

Управляющие воздействия оператора осуществляются непосредственно во время доения коров. К ним относятся подготовительные работы, цель которых настроить систему на функционирование, контроль процесса и строгое выполнение заключительных операций. Следует заметить, что даже частичное непроведение необходимых управляющих воздействий значительно снижает эффективность работы системы.

Анализ исследований различных авторов [6, 40, 45, 48, 66, 69, 104 и др.] показал, что многие операторы не обладают даже элементарными знаниями об обслуживаемой ими системе, не имеют навыков работы с механизмами и в силу этого не могут эффективно управлять процессом, что безусловно отражается на эффективности функционирования системы "человек - машина - животное" (ч - м - ж) в целом.

В ряде случаев операторы не могут эффективно управлять процессом по объективным причинам, даже при наличии высокой квалификации и

опыта работы из-за неблагоприятного воздействия окружающей среды (микроклимат, уровень механизации вспомогательных операций и т.д.).

Не менее важное влияние на эффективность работы системы «ч — м -ж» оказывает и техническое звено системы - дольная установка. Большинство доильных установок используют для выполнения целого комплекса работ: доения и транспортировки молока, его первичной обработки и временного хранения, некоторых санитарно - гигиенических мероприятий. Одна из основных причин неудовлетворительного использования доильных установок - их низкая эксплуатационная надежность. Это подтверждается и практикой работы в хозяйствах.

Цикличность работы доильных установок предъявляет особенно жесткие требования к их безотказности во время доения [22,25,26,49,67,165]. Неожиданная поломка или отказ доильной машины приводит к срыву технологического процесса доения, а это резко снижает производительность труда оператора и ведет к заболеванию животных, что в конечном счете резко снижает эффективность функционирования системы.

По результатам наших исследований, проведенных в 1995... 1996 гг. в ряде хозяйств Ленинградской области 80% вибропульсаторов АДУ-02.200 имеют параметры (частота пульсаций, падение вакуумметрического давления) сверх допустимых значений . 78% доильных установок с молоко-проводом имеют герметичность вакуумной системы в 1,3...2,5 раза ниже допускаемых значений. С целью компенсации прососов воздуха через негерметичности специалисты применяют водокольцевые вакуумные насосы неоправданно высокой подачи, что не может не сказаться на эффективности использования доильных установок. Из 27 обследованных нами молочных ферм, использующих водокольцевые насосы, на 22 фермах чистую горячую воду, однократно прошедшую через водокольцевые насосы, сливают в канализации. На 17 молочных фермах из 27 магистральный ваку-

умпровод имеет диаметр 50 мм, что ниже расчетного в 1,5... 2 раза. Заниженный диаметр магистрального вакуумпровода вызывает сверхдопустимое падение вакуумметрического давления, что вынуждает техническую службу устанавливать в машинном отделении величину вакуумметрического давления на уровне 70.. .75 кПа, резко увеличивая тем самым расход электроэнергии на привод вакуумных насосов. В ряде случаев установить такую величину вакуумметрического давления не удается из-за недостаточной производительности вакуумных насосов. В таких случаях доение осуществляется заниженным до 38...44 кПа вакуумметрическим давлением, что ведет к затяжному длительному доению и неполному выдаиванию коров. Увеличение длительности каждой дойки повышает расход электроэнергии на процесс доения.

Неполное выдаивание кроме чистых потерь продукции ведет к снижению продуктивности коров [39,43].

Такое положение вызвано главным образом отсутствием простых и надежных методик расчета параметров централизованных вакуумных систем.

Перечисленные проблемы характерны для всех типов доильных установок, используемых в РФ, но для линейных установок в большей мере.

В общей гамме доильных установок особый класс занимают линейные установки. Численность линейных установок составляет 90...95% в связи с повсеместным применением привязного метода содержания коров. В связи с особенностями их конструкции этим установкам присущ дополнительный довольно обширный круг проблем [22,25,34,45,47,67,69,70 и

ДР-]-

Анализ научно-исследовательских работ, направленных на повышение эффективности машинного доения сельскохозяйственных животных показал, что проблемам эксплуатации доильных установок, особенно ус-

тановкам с молокопроводом, уделяется недостаточное внимание. Не разработаны четкие критерии оценки эффективности использова