автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка конструкции и обоснование режимных параметров устройства для массажа вымени нетелей

На правах рукописи

Г

Васянин Евгений Георгиевич

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ДЛЯ МАССАЖА ВЫМЕНИ

НЕТЕЛЕЙ

— Специальность 05.20.01.

«Механизация сельскохозяйственного производства»

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оренбург- 1999

Работа выполнена в Оренбургском ордена Трудового Красного Знамени государственном аграрном университете

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Л.П. Карташов

Официальные оппоненты:

доктор технических профессор М.И. Филатов

наук,

старший научный сотрудник, кандидат технических наук В.С.Назаров

Ведущая организация: Государственный департамент агропромышленного комплекса при администрации Оренбургской области

—

_часов на

Защита состоится « /А февраля 2000 г. в А? заседании диссертационного совета Д 120.95.01 при Оренбургском государственном аграрном университете.

Адрес: 460795, ГПС, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, ОГАУ, диссертационный совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Оренбургского государственного аграрного университета. Автореферат разослан « /¿¿».января 2000 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

П.И. Огородников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актусльность темы. Одним из резервов роста молочной продуктивности коров является их выращивание с применением передовых технологий, включающих такой технологический прием, как массаж вымени нетелей с шестого по восьмой месяцы стельности.

Массаж, как один из центральных элементов процесса подготовки нетелей к лактации, подвергался изучению с различных позиций, но тем не менее Всероссийский симпозиум по проблемам доения сельскохозяйственных животных (1995 год, г. Оренбург) обратил внимание на необходимость продолжения комплексных исследований в данной области с участием физиологов, инженеров, конструкторов и других специалистов.

Практика свидетельствует о том , что современные устройства недостаточно совершенны в техническом и конструктивном отношениях, они мало приспособлены под характерные биологические особенности животных. Следует отметить, что до настоящего времени нет единой точки зрения и достаточного обоснования, каким же образом следует осуществлять массаж вымени нетелей. Нет и четкого объяснения механизма влияния массажа на развитие вымени. Этим и объясняется то, что разработанные устройства обладают недостаточной эффективностью. _

О несовершенстве конструкций механических устройств свидетельствует и тот факт, что рост^молочной продуктивности под воздействием ручного массажа в большинстве случаев превышает 25 ... 30%, а при использовании массажных устройств— не более 20%.

Следует также учитывать и то., что массаж вымени является,лз некотором роде, принудительной'операциейгт.е. животное не испытывает "физиологической потребности в нем. Поэтому приучение нетелей к установке очень трудоемко и требует большого внимания. -

Таким образом, исследование и разработка массажной техники, способной наиболее полно развить генетический потенциал животного, учитывая при этом физиологию процесса, является на сегодняшний день задачей актуальной. - ~

Состояние проблемы. Развитие массажной техники в настоящее время характеризуется следующим:

-интенсивным ростом технического уровня устройств для массажа вымени;

-появлением принципиально новых конструкций; -расширением использования ^автоматизированных элементов "в традиционном оборудовании. -_„. " Вместе с тем, как показывает практика, с ростом уровня механизации и автоматизации процесса, снижается эффективность воздействия на вымя животного. Поэтому задача приспособления массажной техники к анато-

мическим и физиологическим особенностям животного - проблема, эффективное решение которой позволит значительно повысить молочную продуктивность коров.

Цель исследования - увеличение производительности труда операторов - массажистов и повышение молочной продуктивности коров на основе разработки новых технических средств для подготовки нетелей к лактации.

Объект исследования. Процесс машинного массажа вымени с точки зрения повышения физиологичности устройства и приближения способов его воздействия на вымя к приемам ручного массажа. Задачи исследования:

-выявить основные режимы массажа вымени нетелей , влияющие на эффективность подготовки животных к лактации; -выявить основные направления в создании массажных устройств; -изучить морфологические прь~знаки вымени нетелей, форму и законы изменения поверхности его долей под воздействием вакуума; -разработать более совершенную конструкцию устройства для

массажа вымени нетелей, отвечающую физиологии животного; -предложить аналитический метод расчета устройства для массажа вымени нетелей;

-оптимизировать режимные параметры устройства для массажа вымени нетелей; -дать оценку эффективности предложенного устройства. Методика исследования. Аналитическое изучение технологического процесса с применением методов моделирования, классической механики и термодинамики, современных средств вычислительно^ техники. Оптимизация технологических параметров и проверка процесса функционирования системы при помощи факторного эксперимента. Обработка результатов велась методами математической статистики. Научную новизну работы составляют:

-совокупность теоретических и практических положений, обосновывающих необходимость подготовки вымени нетелей к отелу; -аналитические зависимости пневмопривода устройства для массажа вымени нетелей;

-графоаналитические зависимости для расчета конструктивных параметров устройства по заданным технологическим показателям; -данные исследований влияния различных режимов работы массажного устройства на последующую продуктивность нетелей. Практическую ценность представляют: -конструкция устройства для массажа вымени нетелей; -расчет конструктивно- технологических параметров устройства; -результаты проверки в лабораторных и производственных условиях основньпс положений работы.

Реализация результатов исследований.

Опытная партия устройств для массажа вымени нетелей внедрена в ТОО им. Пугачева Грачевского района Оренбургской области.

Образец устройства демонстрировался на областных выставках науч-но-техничеческого творчества молодежи НТТМ-98 и НТТМ-99 , где был отмечен дипломами I и II степени.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в виде 1 статьи и 5 тезисов. Новизна работы подтверждена 3 патентами на изобретения. Материалы диссертации были дважды представлены на областных конкурсах им. А. Д. Сахарова и отмечены дипломами I степени.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и предложений, списка использованной литературы (143 наименования). Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков, 20 таблиц, 17 приложений на 38 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Введение содержит изложение состояния исследуемой народнохозяйственной задачи, а также положения, выносимые на защиту

В первой главе - «Состояние вопроса исследования подготовки вымени нетелей к отелу с помощью массажа» - рассмотрены способы воздействия на вымя животных как вручную, так и с помощью технических средств.

' В разное время этот- -вопрос изучали А. П. Бегучев, Е.Г.Баловнева , Т.^Бахмутова, Н. И. Безунов, Б. Л. Беловарски, И. Г. Велиток, А.С. Всяких, В.Г. Григорян, И.И. Герасименко, С.В. Жужа, Л.П. Карташов, Г.П. Котенд-жи, А.А. Курочкин, И.Н. Краснов, Е. К. Любимов, М. Луценко, Е.Г. Са-мойло, С.А.Соловьев, А.Ф. Уитман, В.Ф. Ужик, В.Н. Яценко. Вподавляю-щем большинстве эти исследования направлены на установление эффективности массажа вымени животных.

Проведенный анализ конструкций массажников , их классификация, свидетельствуют о большом разнообразии, а также широком диапазоне режимов машинного массажа вымени нетелей: массаж путем воздействия на вымя переменным вакуумом, механическое нажатие на доли, их разминание, подталкивание, растирание, вибрации, воздействие струи жидкости или воздушного потока и т.д.

Рассмотренные конструкции устройств, за редким исключением реализуют лишь один - два способа воздействия на молочную железу животных, причем режим массажа постоянен , что свидетельствует об их ограниченных возможностях. Наибольшее применение нашли способы воздействия на вымя переменным вакуумом, нажатием, растиранием, а также массаж струями жидкости.

Однако, как следует из приведенной классификации, известные устройства не реализуют способы стимулирующего воздействия на вымя нетелей, включающие комплекс приемов массажа, которые наиболее соответствуют ручному режиму. Основываясь на этих данных, были определены основные направления конструирования стимулирующих устройств для вымени нетелей, в частности - создание массажных устройств с управляемым режимом массажа. Такие устройства должны обеспечивать не только изменение усилия, но и характера воздействия как на вымя в целом , так и на каждую долю вымени животных в отдельности: осуществлять глубокий массаж и растирание долей, нажатие и их оттягивание, воздействие на доли переменным вакуумом, массаж растирание и растягивание сосков. В соответствии с поставленной задачей разработан алгоритм исследования, включающий объекты, методы, оборудование для исследований, методики обработки полученных результатов, направление и оценку эффективности внедрения.

Вторая глава - «Разработка конструкции и обоснование размеров и конфигурации устройства для массажа вымени нетелей» посвящена решению поставленной задачи по созданию «идеального» .массажника, наиболее полно повторяющего приемы и способы воздействия руки оператора массажиста а также обоснованию £ш размеров и конфигурации на основе морфологических свойств и механизма долей вымени под воздействием вакуума.

Разработанное устройство для массажа вымени нетелей (рис.1) содержит чашеобразный колокол 1 с поперечной перегородкой 2, разделяющей объем колокола подпередними долями вымени-от объема, охватывающего задние доли. По верхнему краю перегородки с целью более плотного прилегания крепится полая эластичная прокладка 3. В каждом из двух объемов колокола на пружинах 4 установлены платформы 5 с деформаторами 6. Соски вымени охвачены конусными гофрированными трубками 7, которые крепятся к корпусу колокола посредством мембран 8. Сосковые трубки плотно прилегают к основанию сосков за счет присосков 9, а подсосковое пространство соединяется с объемом колокола каналом, сечение которого изменяется посредством регулирующего винта 10. Отсос воздуха из каждого объема колокола осуществляется через патрубки 11 , а доступ атмосферного воздуха через калибровочное отверстие в поршне 12 клапанного механизма, закрытое состояние которого обеспечивается пружиной 13. Срабатывание клапанов зависит от жесткости пружины. По верхнему краю колокола крепится эластичная прокладка 14, обеспечивающая плотное прилегание кромки к вымени.

Устройство для пневмомассажа вымени работает следующим образом. При подключении устройства к источнику постоянного вакуума и прижатии его к вымени, из каждой половины колокола через патрубок

I I отсасывается воздух. Под действием вакуума происходит плавноерастя-

яжение тканей молочной железы при этом вымя удлинняется и упирается вдеформаторы 6. Таким образом осуществляется пневматический массаж вымени. Одновременно с канал, со-подсоско-с объемом регулируе-воздух из под-

10,

'8

Рис. 1 .Устройство для массажа вымени нетелей.

этим через единяющий вую камеру колокола и мым винтом отсасывается соскового пространства гофрированных трубок 7, а мембраны 8 под действием .вакуума в колоколе вытягиваются внутрь него В результате гофрированные трубки сжимаются и осуществляется механический массаж сосков внутренними .схенками гофр.

При достижении в прдсосковом пространстве разрежения, соответствующего необходимой- интенсивности вакуумного массажа сосков, поршень 12 втягивается, преодолевая.усилие пружины )3. Под-сосок по каналу в поршне проникает атмосферный воздух, "гофрированая трубка 7

при этом разжимается, а так как-нижний конец трубки вместе с мембраной 8 еще втяну т в колокол под действием вакуума, то происходит толчок основания соска при- соском 9. Это имитирует движение головы теленка .при сосании вымени коровы. При достижении в колоколе разрежения^оответствующего

необходимой интенсивности вакуумного массажа вымени, клапанный механизм открывает доступ атмосферного воздуха в колокол. Вымя при этом принимает первоначальное положение и .расслабляется. Подсос воздуха в колокол продолжается до тех пор, пока восстановится равновесие сил, действующих на поршень 12, после чего он под действием пружины 13 возвращается в исходное положение. Проходное сечение канала при этом перекрывается и цикл повторяется вновь.

Частота воздействий на вымя зависит от скорости отсоса воздуха из подсосковых камер по каналам клапанных механизмов, регулируемых винтами 10. Величина вакуума, а следовательно интенсивности массажа

вымени и сосков имеет прямую зависимость от жесткости пружин 13 и варьируется их сменой.

Таким образом, с помощью разработанного устройства возможны следующие способы воздействия на вымя:

- пневматический массаж вымени, причем раздельный массаж передних и задних долей вымени;

- массаж сосков переменным вакуумом;

- сжатие и оттягивание сосков;

- подталкивание сосков у основания вверх.

Конструкция массажника предусматривает изменение технологических параметров по месяцам стельности, что задается технологией подготовки вымени нетелей к лактации.

Оптимизация конструктивных размеров и конфигурации устройства предусматривала прежде всего получение исходной информации об объекте исследования - вымени. С целью получения этой информации необходимо в первую очередь установить морфологические параметры вымени . Для этого были проведены исследования , в задачи которых входило определение диапазона варьирования основных параметров вымени и сосков, нахождение их среднего значения, а также определение формы поверхности передних и задних долей вымени.

Параметры вымени и сосков снимали с учетом общепринятых методик и оборудования у нетелей симментальской породы на 6 - 6,5 месяце стельности в ТОО им. Пугачева Грачевского района Оренбургской области.

При определении формы передних и задних долей вымени нетелей исследования проводили на тех же животных. Параметры долей вымени определяли замером расстояния от точек поверхности вымени до плоскости, приложенной к принятому за начало отсчета центру доли вымени, учитывая при этом направление осей х , у и г . Ось у направлена вдоль доли-вымени, а начало координат лежит в ее центре.

Аналитическое уравнение поверхностей долей вымени имеет вид

~ • (1)"

2р 2g'

где: х, у, х - координаты точек поверхностей; р - эмпирические коэффициенты.

Опытные данные по определению формы поверхности передних долей вымени обрабатывали по общепринятым методикам.

По результатам обработки были определены значения коэффициентов:

для передней доли- р=(10.65 ±0,04)10'2,м £= (13,42+0,09)10~2 ,м для задней доли - р= (13,40±0,04)10*2 ,м ¡*=(16,3 6±0,05) 10"2 ,м

Сравнение значений координат точек поверхностей передней и задней долей вымени показало их существенное различие . Это свидетельствует о том , что рабочие органы для передних и задних долей вымени должны быть различны по размеру и форме.

С целью обеспечения оптимального контакта и взаимодействия рабочих органов устройства с выменем было рассмотрено изменение линейных размеров или деформация долей под воздействием внешних факторов, в частности - вакуума. В результате исследований было получено уравнение деформации доли вьмени Бщ (У) в плоскости х=0:

з

где:

Е - модуль упругости тканей вымени, НУм2 Г (у) - первообразная функция образующей начальной поверхности доли вымени в плоскости х = 0.

Аналогично находится прогиб оболочки в плоскости у=0.

Используя результаты теоретических исследований упругих свойств вымени нетелей, по разработанной программе были выполнены расчеты деформации поверхности передней и задней доли вымени. По полученным результатам построены теоретические стрелы прогиба долей вымени под воздействием вакуума ( рис.2.). ~ _ —

Построенные зависимости показывают, что с увеличением значений вакуума прогиб увеличивается. Максимальный прогиб находится в центре доли вымени, уменьшаясь к перифирии.

Сравнение показателей деформации передней и задней долей вымени еще раз подтвердило различие в размерах7 форме и конфигурации рабочих органов массажного устройства для передних и задних долей.

В третьей главе работы - «Теория устройства для массажа вымени нетелей нетелей» подробно описаны рабочие органы и массажные механизмы устройства, приведены аналитические выражения для их _расчета и выбора согласно заданной интенсивности массажа.

Учитывая спектр воздействий устройства на вымя, был выбран закон изменения давления в камерах массажника, который подробно описывается уравнениями пневмопривода. На основе этих уравнений и результатов экспериментов предлагается оригинальная методика настройки массажного устройства на заданный режим массажа. Разработка устройства, принципиально по новому воздействующего на вымя, потребовала совершенствования и модернизации исполнительных механизмов.

Г. мм

f, мм

О

-20

20

40 60

80

Колокол массажника имеет три типоразмера, которые подбираются индивидуально по размерам вымени нетелей. Форма кромки поперечной перегородки, разделяющей передние доли от задних , выполнена по форме

вымени , а полая эла стичная прокладка имеет большее сечение от боковин колокола к его центру. Платформы с де-форматорами выполнены из пластмассы и установлены в колоколе на пружинах для более упругого контакта платформ с выменем. Высота установки платформ регламентируется величиной растяжениями деформации долей вымени.

Имитация дви-. -жения головы те-" ленка .при сосании —вымени коровы, т.е. толчок соска у_ основания вверх, осуществляется гофрированными сосковыми трубками при содействии элемен- -тов их крепления к корпусу массажника. Сжатие сосковых трубок и мембран при истечении воздуха из колокола и подсосковых камер осуществляется силами F, и F? при сопротивлении сжатию Fti и Fc2 гофрированных элементов и веса клапанного механизма GK Результирующая найдется как: .

-80 -60 --»О -20

20

40 60

80

. Рис.2.Расчетные стрелы прогиба передней (а) и задней (б) допей вымени под воздействием вакуума 5кПа(1), 10кПа(2), 15кПа(3), 20кПа(4).

= Ы

R.„ + R.

■pM

Eh,x,

Eh^x-,

(3)

где

ми лой

Pi, Рг - давление сответственно в колоколе и под соском , Па;

Rnl)RVi - наружный и внутренний диаметры сильфона, м;

R.n2j RV2 - наружный и внутренний диаметры гофрированной

сосковой трубки, м; Е - модуль упругости материала, Н/м2;

h), h2 -толщина стенки мембраны и сосковой трубки соответственно, м; Х| Хг - перемещение мембраны и сосковой трубки соответственно, м; П| п2 - число гофр мембраны и сосковой трубки соответственно; Agi, Ag2 - коэффициенты относительной глубины гофр; rrik - масса клапанного механизма, кг; g - ускорение свободного падения, м/с".

Толчок соска у основания осуществляется гофрированными трубка-при подаче в подсосковое пространство атмосферного воздуха с си-

F. =-

EhjX-,

2«"лл7

(4)

Величина логией массажа

воздействия присоска трубки регламентируется техно-и подбирается путем смены трубок, при этом должно

выполняться условие их сжатия при истечении воздуха из колокояал лодсосковых камер.

- Массажное устройство содержит клапанные механизмы (рис.3), конструктивное исполнение которых позволяет изменять такие режимные параметры, как величина и частота воздействия.

Рассматривая клапанный механизм, вернее его объем как управляющую камеру, можно по аналогии с управляющей камерой пульсатора составить систему уравнений для истече-

Рис.З. Клапанный механизм массажного

устройства. 1 - регулировочный винт, 2 - пружина, 3- корпус, 4 - поршень, 5 - стопорное кольцо.

ния воздуха через клапанный механизм

J

p\p -

PJP, , 2(F,-FCI)

P' PI

jV

Мл/ДАЛ îpY мЛ/З^РЛ,

-il.

t =

vJ^PA p.

f

(5)

-A

2g

Л-1

¿V

где

Voi, Vok - объемы колокола и клапана соответственно при атмосферном давлении, м3;

Vi - объем колокола при давлении в колоколе Рь соответствующем необходимой интенсивности массажа, м3;

ц !,р.к - коэффициенты расхода воздуха отводящих линий из колокола и клапана соответственно;

fb fk - площади проходных сечений отводящих линий, м2;

9ат - удельный объем воздуха при давлении Рат;

Р - абсолютное давление отводящей линии (вакуум-провода), Па; _

Р;,Рк - текущее давление в колоколе и клапане соответственно, Па;

Р - критическое отношение давлений (для воздуха (3=0,528);

__ Рф - давление срабатывания клапана, соответствующее давлению в

колоколе P]t Па;

к - показатель адиабаты (для воздуха к=1,41).

Система уравнений истечения (5) подразумевает срабатывание клапана при давлении Рср, в момент когда давление в колоколе становится равным Pi.

Давление срабатывания Рср определится как

Я =-

(6)

где

Рсж - сила сжатия пружины, Н; в - площадь клапана, м2.

Сила сжатия прямо пропорциональна жесткости к пружины и перемещению х клапана , необходимого для совмещения отверстия в корпусе с выточкой на клапане

F -hr-ÏLl-

(7)

где:

Рсж2к

Ф - модуль сдвига , Н/м ;

Я - средний радиус витка пружины, м; - --

т - радиус прутка, из которого навита пружина, м; л - число витков.

Конструктивное решение устройства для массажа вымени задает определенные законы истечения воздуха (рис. 4.), описываемые классической термодинамикой . Для расчета и обоснования параметров устройства был рассмотрен его пневмопривод и даны основные положения и взаимосвязи движения воздуха.

При прижатии массажника к вымени и подаче вакуума начинается истечение воздуха из камеры I и одновременно из камеры II, давление в которых равнялось атмосферному Р;„. Очевидно, что истечение из камеры II будет проходить медленнее .

Для обеспечения контакта сосковой трубки с основанием вымени необходимо, чтобы трубка и мембрана начинали сжа-"тие одновременно в

момент (точка а и к на кривых 1 и 2 соответственно) при давлении Р1А,„ и Рсж2н- Сжатие закончится при давлениях РСЖ)К и Р^« (ючки Ь и I соответственно). Истечение воздуха из камеры II закончится в точке т при давлении Р2, соответствующем необходимой интенсивности пневмомассажа ■ соска, в камере I при этом давление Рс. В этот момент срабатывает клапан, обеспечивающий связь объ.ема камеры II с атмосферой. Давление в камере II при этом повышается до атмосферного Ра,. В точке п (давление Р1Ж1К) сосковая трубка полностью разжимается и подталкивает сосок у основания.

Повышение давления в камере И массажника способствует увеличению объема этой камеры и разжатию сосковой трубки, поэтому можно предположить, что это не повлияет на истечение воздуха из камеры 1 (участок с - с1). Истечение из камеры I закончится в точке с! (давление Р,, соответствующее необходимой интенсивности пневмомассажа доли вымени) в тот момент, когда произойдет толчок основания соска (точка п). При этом начнется наполнение воздухом камеры I через открывшийся клапан и повышение давления

Рис,4.Циклограммы изменения давления в камерах колокола под выменем (1), под соском (II).

до Р„ (участок (] - g). Мембрана разжимается (участок е - И), а давление в камере П колеблется около атмосферного Рэт. Далее процессы повторяются.

Изменение давления в камере II массажника на участке о - т описывается уравнением времени истечения воздуха.

-Ь. 1

р.

к

Мг/^КЛ»

'Ь. р.

28

к-1

(В)

где:

У02 - первоначальный объем камеры II при давлении Р^ м3; ц2 - коэффициент расхода воздуха через отверстие между II и I камерами;

{2 - площадь проходного сечения этого канала, м2; Зхг - удельный объем воздуха при давлении Рэт> м3; V; - объем камеры I при абсолютном давлении Р;> м3; УС1 - объем камеры I при давлении в ней Рс, м3; Р+ - текущее значение давления в камере II, Па; к- показатель адиабаты,к=1,41 (воздух). Время истечения из камеры I на этом участке

Г

2(Кг

К,)

от от. Р Гт

(9)

где:

Уо1—объем камеры I при атмосферном давлении, м ; [1] — коэффициент расхода воздуха отводящей линии; ^ - площадь проходного сечения отводящего патрубка, м2; Р - абсолютное давление среды, в которую происходит истечение - воздуха, Па; -

функция расхода воздуха,

Л

Р - критическое отношение давлений (Р=0,528). Время дальнейшего истечения из камеры I (до точки (1) определяется по выражению:

'Р^Р р /Р'

И

р

Т.У

щ*.

где:

VI - объем камеры I при давлении в ней Р15 соответствующем

необходимой интенсивности массажа доли вымени, м3. С другой стороны ^ = ^ - это время наполнения камеры II воздухом до полного разжатия гофрированных сосковых трубок (участок т-п). Давление в камере II при этом меняется с Р2 до РСЖ2н, а объем с У2 до У02. Уравнение наполнения будет иметь вид:

Л

2У,

Л

2 Г,

'К.

(И)

где:

Цгк - коэффициент расхода воздуха подводящей линии; Г2к - площадь проходного сечения впускного устройства, м2. Время наполнения камеры I на участке

, у* I Ю. 2(у,-у01) , IP_.JP..

1-

У

(12)

2 {У,-Ут)

-К,

где:

ц!к - коэффициент расхода воздуха подводящей линии;

- площадь проходного сечения впускного устройства, м2;

_ - Решение полученных., уравнений затруднительно ввиду сложных

подинтехральных выражений. Поэтому было решено воспользоваться ме-тодомтрафичёского интегрирования, в-ходе которого получены значения интегралов для любого отношения давлений. _

С целью определения взаимосвязи технологических параметров, влияния на них конструкции устройства, а также удобства и быстроты настройки массажника на заданный режим работы, была построена номограмма (рис.5).

Для ее построения уравнения (8) и (9) объединены в систему , а Рс и Р] из-за их малого различия приравнены.

Разделив оба уравнения системы на одно и тоже значение

V и. {

и обозначив ,1 = М;

Ру

= с ;

У^О.

= А

и

V

V 0|

получим

\<2 = МС

р ) р \ р I

2 = Г ' иЫ = Г— ' - интегральные выражения,

г р \ ( рл

где:

"[■К) Ч^г

расчитанные графическим способом.

Значения (3 могут быть подсчитаны для любого отношения давления Р/Р] , так как при -каждом его значении известна величина интегралов Ъ и N.

В первом квадранте построены зависимости значений О от Р/Р ], т.е. от отношения давления в вакуумопроводе к текущему давлению воздуха в камере I колокола массажника.

Кривые эти построены для трех значений коэффициента А (-0,57: -0,64 и -0,76), соответствующих трем типоразмерам колокола (от большего к меньшему). ■ - __ -

Во втором квадранте построены зависимости для верхнего уравнения системы (13) в координатах 0~и*С, причем _ — _

где: _

Б - эмпирический коэффициент; зависящий от типоразмера колокола массажника (9 хЮ"7; 13х10"7; 19х10"7).

Здесь ,в зависимости от значения коэффициента М, определяется истинное значение интеграла С в тот момент, когда отношение давления в камере I к давлению в управляющей камере II становится Р1/Р2.

В третьем квадранте построены кривые зависимости отношения давления Р1/Р2 от величины интеграла С при постоянной рабочей глубине вакуума 50 кПа. -

Величины отношений Р1/Р2 определялись методом постепенного преобразования известных значений интеграла С в первоначальную функцию Ъ\, площадью под которой он является.

Действительно

с =

А р.

к

2 ЬЛ

Г/О'

Поэтому решение этого выражения должно начинаться с учетом начальных условий Р/Р^Уср и принятого промежутка (класса) по величине <2 и (Р,/И),.

Для этой элементарной площадки

, р.

откуда находится значение Д— и, следовательно, ордината следующей эле-

Р,

ментарнои площадки

Такое последовательное определение величин Р^ должно проводиться до значения Р/Р1=1, при этом Р^ = Р1/Р2.

В четвертом квадранте изображены кривые зависимости отношения давлений Р1/Р2 от величины рабочего вакуума, показывающие, что с падением глубин вакуума величина-отношения давления Р1/Р2 в камерах увеличивается, при этом увеличивается и частота пульсации. На кривых этого квадранта обозначены величины установочных частот пульсаций пу при рабочей глубине вакуума 50 кПа. Для определения коэффициента М, напрямую связанного с конструктивными показателями клапанных устройств, необходимо осуществить следующее. Определить отношение давлений Р/Р1 и Р1/Р2, которые задаются технологией пневмомассажа. Далее значение Р]/Р2 переносится вправо до пересечения с вертикальной прямой, соответствующей рабочей глубине вакуума линии куда подключен массажник. После этого точка пересечения сносится по форме изображенных в четвертом квадранте кривых до вертикали Р=50кЙа и переносится влево в третий квадрант, где и определяется интеграл С. Одновременно с этим по кривым первого квадранта определяется значение Полученные значения 0 и С во втором квадранте покажут искомый коэффициент М. При нахождении М необходимо учитывать типоразмер колокола массажника и частоту пульсации, которая задается технологией массажа.

Полученное значение М. позволит по уравнению (14) определить конструктивные показатели и настроить массажное устройство на требуемый технологический режим работы. Номограмма для нахождения значения М

при определении "конструктивных показателей клапанных механизмов, обеспечивающих заданные величины вакуумметрического давления.

личины вакуумметрического давления.

В четвертой главе - «Экспериментальные исследования устройства для массажа вымени нетелей» - изложена программа, методика и результаты лабораторных и производственных испытаний.

Экспериментальные исследования устройства предусматривали лабораторные испытания, целью которых была проверка состоятельности выбранной методики настройки массажника на заданные режимы работы, и производственные, в ходе которых оптимизировались режимные параметры устройства и определена его эффективность в сравнении с базовыми вариантами.

Программа лабораторных испытаний предусматривала: -расчет конструктивных параметров по заданным технологическим показателям;

-настройку массажника на выбранный режим работы; -определение экспериментальных показателей; -сравнение опытных данных с расчетными.

Расчет конструктивных параметров проводили по описанной выше методике с использованием номограммы. Настройку., устройства осуществляли с учетом шага резьбы регулировочных винтов, жесткости пружин и других конструктивных параметров массажника. Для получения необходимых характеристик опытным путем была смонтирована лабораторная установка, включающая стандартные приборы и измерительную аппаратуру. Обработку полученных данных проводили методами математической статистики. — - — -— ■

Лабораторные испытания показали, что полученные выходе эксперимента значения параметров на всех проверяемых режимах незначительно отличаются от заданных. Характер изменения вакуумметрического давления в целом подчиняется заданному закону движения воздуха в камерах массажника.

Для проведения исследований по оптимизации режимных параметров на основании теоретических разработок" были выполнены рабочие чертежи устройства, а в лабораториях Оренбургского государственного аграрного университета и в ремонтных мастерских хозяйств области была изготовлена их опытная партия.

Исследования процесса работы.устройства проводили на молочнотоварной ферме ТОО им. Пугачева Грачевского района Оренбургской области на нетелях симментальской породы 6...6,5 месячной стельности. .

При планировании эксперимента использовали общеизвестные методики . Поиск оптимального сочетания факторов, влияющих да процесс работы устройства, осуществляли при анализе литературных источников по интересуемому вопросу путем формализации опытных данных и мнений специалистов. При обработке результатов опроса исследователей применяли ранговый метод. Факторы, оказывающие влияние на критерий оптимизации и уровни их варьирования, приведены в таблице 1.

Таблица 1

_ Параметры оптимизации и уровни их варьирования.

Параметры Един, измер. Уровни

-1 0 +1 '

X, Величина вакуумметрического

давления в колоколе кПа 10 20 30

х2 Частота воздействий Гц 0,8 1,0 1,2

Х3 Величина подталкивающего

Воздействия Н 6 13 20

За параметр оптимизации принимали удой первотелок, а критерием оценки эффективности массажа вымени нетелей являлось повышение продуктивности коров в сравнении с животными контрольной группы.

При подготовке исследований использовали центральное композиционное ортогональное планирование эксперимента.

В процессе наблюдений за работой устройства для массажа вымени нетелей установлена работоспособность его отдельных элементов и всей конструкции в целом.

. Обработку данных исследований проводили на компьютере IBM PC класса PentiumR-200ММХ. _ ~ -

Анализ полученных результатов расчетов позволил записать уравнение регрессии, параметром оптимизации которого являете! удой первотелок. В окончательном виде уравнение имеет вид

у=2389,2+123,11х, -25,86х2+156,53х?-206,4х1х2-62,4х1хз+- ~.

+14,4х2хз+55,9х12+36,84х22-85,13хз2. ~ 1 —(Щ-

Анализ показал, что все коэффициенты получены значимыми.

Адекватность уравнения регрессии проверяли по критерию Фишера, после чего исследовали на оптимум, в результате были получены следующие оптимальные значения режимных параметров:

- величина вакуумметрического давления в колоколе 18,6 кПа;

- частота воздействий 1,05Гц; —

-величина подталкивающего воздействия 19,4 Н.

Продуктивность первотелок при полученных значениях режимных

параметров массажа составила 2450 кг.

Разработанное устройство на втором этапе производственных испытаний сравнивали с широко распространенной установкой для массажа вымени нетелей АПМ-Ф-1 и подготовкой вымени нетелей перед отелом с -помощью ручного массажа.

Технология производственных испытаний предусматривала содержание нетелей опытных и контрольной групп в одинаковых условиях на привязи с кормлением по общехозяйственному рациону.

Массаж вымени проводили в трех группах, по десять животных в каждой. Нетелей первой группы подготавливали с помощью разработанного устройства, во второй использовали массажники типа АПМ-Ф-1, в третьей группе осуществляли ручной массаж. Четвертая группа из десяти животных была контрольной.

Продуктивность первотелок определяли по общеизвестной методике за три месяца лактации.

Сравнение массажных устройств в производственных условиях показало высокую эффективность экспериментальной установки. Прирост продуктивности первотелок, прошедших подготовку вымени на экспериментальной установке, составил 400 кг молока в сравнении с контролем, и 130 кг в сравнении с широко распространенной установкой АПМ-Ф-1, при этом установлено и значительное улучшение морфо-функциональных свойств вымени первотелок, прошедших подготовку к лактации с помощью массажа.

В пятой главе - «Экономическая эффективность устройства для массажа вымени нетелей» - описана методика определения эффективности, приведены исходные данные и результаты расчетов.

Расчет экономической эффективности от использования разработанных массажных устройств при подготовке нетелей к лактации проводили по приведенным затратам. Полученные экономические показатели сравнивались с аналогичными показателями базовых объектов.

Внедрение экспериментальной установки для массажа вымени нетелей, в расчете на 240 нетелей, позволило высвободить одного оператора-массажиста.

Годовой экономический эффект по приведенным затратам (по ценам 1999 года) составил 40435 рублей, что из-за более высокой стоимости установки несколько ниже аналогичного показателя установки АПМ-Ф-1.. В расчете на одну первотелку годовой экономический эффект составил 168,5 рубля против 178,7 рубля при использовании АПМ-Ф-1.

Однако с учетом роста молочной продуктивности первотелок годовой экономический эффект при внедрении разработанной установки составил 309235 против 224324 рубля при использовании АПМ-Ф-1. В расчете на одну первотелку это составит 1288,5 и 934,7 рубля соответственно.

ВЫВОДЫ

1.Анализ состояния вопроса механизации подготовки вымени нетелей к отелу показывает что:

- наиболее эффективным до настоящего времени остается ручной массаж, причем прирост продуктивности животных возрастает по мере усложнения режима массажа;

- режим и приемы массажа должны изменяться в зависимости от физиологического состояния и времени стельности нетелей;

- существующие устройства, за редким исключением, реализуют лишь один - два способа воздействия на вымя, не зыполняя наиболее эффективный набор операций ручного массажа.

2.Предложенная классификация массажников позволила выявить перспективное направление в развитии их конструкции.

Разрабатываемое устройство должно обеспечивать комплексное воздействие на вымя, затрагивая при этом все его участки. Конструкция массажника должна учитывать физиологию нетелей, как можно ближе повторяя способы ручного массажа вымени, и предусматривать изменение технологии и режимов воздействия по времени стельности животных.

3.При реализации намеченного направления были решены задачи по созданию устройства, обеспечивающего пневматический массаж вымени, причем передних и задних долей раздельно и с различной интенсивностью; пневматический массаж сосков, их растягивание и сжатие; подталкивание сосков у основания вверх. Конструкция устройства предусматривает изменение технологий и режимов массажа по месяцам стельности.

4.С целью обеспечения максимального контакта устройства с выменем животного на основе изучения морфологических свойств была получена исходная информация об объекте исследования - вымени . Оптимизация формы и расположения рабочих органов устройства проведена с учетом изменения размеров и объема вымени под воздействием внешних факторов, в результате чего были получены аналитические зависимости деформации поверхности молочной железы.

5.Заданный конструктивными решениями исполнительных меха-низмов^закон- изменения давления в камерах устройства описан уравнениями термодинамики, связывающими „режимные параметры массажника с конструктивными. Взаимосвязь технологических параметров , влияние на них конструкции клапанных механизмов описана с помощью номограммы, которая неопределенном этапе разработанной методики используется и для настройки массажника на необходимый режим работы.

б.Лабораторныч испытания устройства на специально разработанном стенде показали его работоспособность и высокую степень точности настройки массажника на заданные режимы работы по предложенной в теоретической части работы методике. Различия между теоретическими и экспериментальными, данными незначительны, осциллограммы подтвердили заданный закон ' изменения давления в камерах массажника.

Производственные испытания показали высокую надежность предложенного устройства. Обработка результатов факторного эксперимента позволила оптимизировать режимные параметры устройства, значения которых были использованы при настройке массажника в сравнительных испытаниях.

.Г 7.Сравнительные испытания массажников показали высокую надежность в эксплуатации экспериментального устройства и подтвердили

эффективность его применения. Прирост продуктивности первотелок, прошедших подготовку вымени на экспериментальной установке, составил 400кг молока в сравнении с контролем, и 130 кг в сравнении с широко распространенной установкой АПМ-Ф-1.

8.Годовой экономический эффект по приведенным затратам (по ценам 1999 года) составил 40435 рублей, что из-за более высокой стоимости установки несколько ниже аналогичного показателя установки АПМ-Ф-1. В расчете на одну первотелку годовой экономический эффект составил 168,5 рубля против 178,7 рубля при использовании АПМ-Ф-1.

Однако с учетом роста молочной продуктивности первотелок годовой экономический эффект при внедрении разработанной установки составил 309235 против 224324 рубля при использовании АПМ-Ф-1. В расчете на одну первотелку это составит 1288,5 и 934,7 рубля соответственно.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ.

1.Васянин Е.Г. Пневмомассаж вымени нетелей: Тез. докл. региональной конференции молодых ученых специалистов. - Оренбург, 1997.-С. 127-128. _ . _

2.Васянин Е.Г. Пути совершенствования устройств для пневмомас-сажа вымени нетелей: Тез. докл. IX международного симпозиума по машинному доению сельскохозяйственных животных. - Оренбург, 1997.-С.40-41.

ЗГВасяшш Е.Г. Методика испытаний пневмомассажника вымени не-_ телей:-Т-ез. докл. региональной конференции молодых ученых и специалистов. - Оренбург,1998.-С.166.

4.Васянин Е.Г. Пневмопривод массажного устройства: Сборн. трудов сотрудников и препод авателейфакультета механизации сельского хозяйства. - Оренбург: ОГАУ.1999.-С.84.

5.Васянин Е.Г., Шлейников В.Б. Использование упругих гофрированных элементов в устройствах автоматического надевания доиль-

~ных стаканов и при пневмомассаже вымени нетелей: Тез. докл. межвузовской научно-практической конференции. - Оренбург: ОГАУ,1999.С-127.

6.Патент № 2132127 1Ш МКИ АОЦ 7/00.Устройство для пневмо-массажа вымени нетелей. Карташов Л.П., Васянин Е.Г. Заявл. 08.05.97;Бюл.№18; 27.06.99, -

7.Патент №2132128 1Ш МКИ А01 ) 7/00.Устройство для пневмо-массажа вымени нетелей. КарташовЛ.П., Васянин Е.Г. Заявл. 08.05.97; Бюл. № 18; 27.06.99. -

8.Патент № 2136146 1ШМКИ А01 ] 7/00. Устройство для пневмо-массажа вьмени нетелей. Карташов Л.П., Васянин Е.Г. Заявл.

-17.04.98; Бюл. № 25; 10.09.99.

Введение.

1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1. Состояние вопроса исследования подготовки вымени нетелей к отелу с помощью массажа.

1.1.1. Классификация способов воздействия на вымя.

1.1.2. Ручной массаж, его влияние на последующую продуктивность первотелок.

1.1.3. Машинный массаж, практическое обоснование необходимости его проведения.

1.1.4. Теоретические предпосылки дополнительного воздействия на вымя.

1.2. Классификация и анализ устройств для массажа вымени нетелей.

1.3. Выводы из аналитического обзора источников.

2. Разработка конструкции и обоснование размеров и конфигурации устройства для массажа вымени нетелей.

2.1. Устройство для массажа вымени нетелей.

2.2. Обоснование линейных размеров и конфигурации устройства на основе морфологических признаков 41 вымени нетелей.

2.3. Механизм деформации долей вымени под воздействием вакуума

2.4. Выводы.

3. Теория устройства для массажа вымени нетелей.

3.1. Расчет исполнительных механизмов устройства.

3.2. Пневмопривод устройства для массажа вымени нетелей.

3.3. Обоснование и расчет технологических параметров устройства.

3.4. Выводы по теоретической части работы.

4. Экспериментальные исследования.

4.1. Испытания массажного устройства в лабораторных условиях.

4.1.1. Стенд для измерения величины вакуума.

4.1.2. Методика измерения величины вакуума, испытания устройства на лабораторном стенде.

4.1.3. Результаты лабораторных исследований массажного устройства.

4.2. Производственные испытания.

4.2.1. Методика исследований и результаты оптимизации режимных параметров устройства.

4.2.2. Сравнительные испытания устройств для массажа вымени нетелей.

4.3. Выводы по результатам экспериментальных исследований.

5. Экономическая эффективность.

В настоящее время интенсификация молочного производства направлена, прежде всего, на повышение продуктивности дойного стада, которая в свою очередь зависит от множества факторов. Здесь следует отметить содержание и кормление животных. Немаловажную роль играет и сам процесс получения молока - доение, соблюдение технологии которого сохраняет многолетнюю биологическую продуктивность животных.

Одним из резервов роста молочной продуктивности коров является их выращивание с применением передовых технологий, включающих такой технологический прием, как массаж вымени нетелей с шестого по восьмой месяцы стельности.

Массаж, как один из центральных элементов процесса подготовки нетелей к лактации, подвергался изучению с различных позиций, но тем не менее Всероссийский симпозиум по проблемам доения сельскохозяйственных животных (1995 год, г. Оренбург) обратил внимание на необходимость продолжения комплексных исследований в данной области с участием физиологов, инженеров, конструкторов и других специалистов.

С целью снижения трудоемкости операции массажа создан целый ряд устройств. Учитывая интенсивную научно-исследовательскую работу по созданию стад коров с повышенной продуктивностью (6.8 тыс. кг молока в год для условий промышленного производства) /97/ , следует отметить необходимость создания новых и совершенствование старых конструкций мас-сажников с различными технологиями и режимами работы.

Практика свидетельствует о том , что современные устройства недостаточно совершенны в техническом и конструктивном отношениях, они мало приспособлены под характерные биологические особенности животных. Следует отметить, что до настоящего времени нет единой точки зрения и достаточного обоснования, каким же образом следует осуществлять массаж вымени нетелей. Нет и четкого объяснения механизма влияния массажа на развитие вымени. Этим и объясняется то, что разработанные устройства обладают недостаточной эффективностью. Предложенные устройства оказывают самое разнообразное воздействие на вымя. Какому же способу следует отдать предпочтение и в каком направлении следует вести поиск совершенствования конструкции массажного устройства остается неясным.

О несовершенстве конструкций механических устройств свидетельствует еще и тот факт, что рост молочной продуктивности под воздействием ручного массажа в большинстве случаев превышает 25 . 30%, а при использовании массажных устройств - не более 20%.

Следует также учитывать и то , что массаж вымени является, в некотором роде, принудительной операцией, т.е. животное не испытывает физиологической потребности в нем. Поэтому приучение нетелей к установке очень трудоемко и требует большого внимания.

Таким образом, исследование и разработка массажной техники, способной наиболее полно развить генетический потенциал животного, учитывая при этом физиологию процесса, является на сегодняшний день задачей актуальной.

Состояние проблемы. Развитие массажной техники в настоящее время характеризуется следующим:

- интенсивным ростом технического уровня устройств для массажа вымени;

- появлением принципиально новых конструкций;

- расширением использования автоматизированных элементов в традиционном оборудовании.

Вместе с тем, как показывает практика, с ростом уровня механизации и автоматизации процесса, снижается эффективность воздействия на вымя животного. Поэтому задача приспособления массажной техники к анатомическим и физиологическим особенностям животного - проблема, эффективное решение которой позволит значительно повысить молочную продуктивность коров.

Цель исследования - увеличение производительности труда операторов - массажистов и повышение молочной продуктивности коров на основе разработки новых технических средств для подготовки нетелей к лактации.

Объект исследования. Процесс машинного массажа вымени с точки зрения повышения физиологичности устройства и приближения способов его воздействия на вымя к приемам ручного массажа.

Задачи исследования:

- выявить основные режимы массажа вымени нетелей , влияющие на эффективность подготовки животных к лактации;

- выявить основные направления в создании массажных устройств;

- изучить морфологические признаки вымени нетелей, форму и законы изменения поверхности его долей под воздействием вакуума;

- разработать более совершенную конструкцию устройства для массажа вымени нетелей, отвечающую физиологии животного;

- предложить аналитический метод расчета устройства для массажа вымени нетелей;

- оптимизировать режимные параметры устройства для массажа вымени нетелей;

- дать оценку эффективности предложенного устройства.

Методика исследования. Аналитическое изучение технологического процесса с применением методов моделирования, классической механики и термодинамики, современных средств вычислительной техники. Оптимизация технологических параметров и проверка процесса функционирования системы при помощи факторного эксперимента. Обработка результатов велась методами математической статистики.

Научная новизна работы.

- совокупность теоретических и практических положений, обосновывающих необходимость подготовки вымени нетелей к отелу;

- аналитические зависимости пневмопривода устройства для массажа вымени нетелей;

- графоаналитические зависимости для расчета конструктивных параметров устройства по заданным технологическим;

- данные исследований влияния различных режимов работы массажного устройства на последующую продуктивность нетелей.

Практическую ценность представляют:

- конструкция устройства для массажа вымени нетелей;

- расчет конструктивно- технологических параметров устройства;

- результаты проверки в лабораторных и производственных условиях основных положений работы.

Реализация результатов исследований.

Опытная партия устройств для массажа вымени нетелей внедрена в ТОО им. Пугачева Грачевского района Оренбургской области.

Образец устройства демонстрировался на областных выставках науч-но-техничеческого творчества молодежи НТТМ-98 и НТТМ-99 , где был отмечен дипломами I и II степени.

Публикации. Основные положения диссертации были опубликованы в виде 1 статьи и 5 тезисов. Новизна работы подтверждена 3 патентами на изобретения. Материалы диссертации были представлены на областном конкурсе им. А.Д. Сахарова и отмечены дипломами I степени.

Основные положения, выносимые на защиту.

- совокупность теоретических и практических положений , обосновывающих необходимость подготовки вымени нетелей к отелу;

- аналитические зависимости пневмопривода устройства для массажа вымени нетелей; 9

- графоаналитические зависимости для расчета конструктивных параметров устройства по заданным технологическим;

- данные исследований влияния различных режимов работы массажного устройства на последующую продуктивность нетелей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и предложений, списка использованной литературы (143 наименования). Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков, 20 таблиц, 17 приложений на 38 страницах.