автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка технических средств для создания стереотипа механического воздействия на вымя коров при массаже

РГ6 ин ? 9 МАЙ «95

с- ОРЕНБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

СЕШСКОХОЗЖЮТВЕШАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

БАЛОВНЕВА Елена. Геннадиевна

Разработка технических средств

для создания стереотипа механического воздействия на вымя коров при массаже

Специальность 0520.01 - Механизация сельскохозрйствежого производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оренбург -1995

Работа выполнена в Оренбургской государственной сельскохс

зяйслвенной академии на кафедре механк зации животноводства

Нэучеий руководитель - Заслуженный деятель науки и техник

Российской федерации, доктор техни ческих наук, профессор д п. Каргашо

Научный консультант - заслуженный деятель науки Российск

Федерации, доктор технических наук профессор С А. Соловьев

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессоз

П. И. Огородников - кандидат технических наук, доиевт В. Т. Козлов

Ведущее предприятие - Научно-производственное объединение

"Южньй Упал"

Запита состоится 16 исня 1995 года в 10 часов на заседани диссертационного совета Д 120.95.01 в Оренбургской госгуда] ственной сельскохозяйственной академии по адресу:

460795 г. Оренбург» ул. Челоскиниев, 18

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Оренбурга« государственной сельскохозяйственной академии

Автореферат разослан 12 мая 1995 года.

Ученый секретарь диссертационного о

С А. Соловье

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Кардинальной проблемой современного молочного животноводства является низкий уровень продуктивности коров. Одной из основных причин такого положения дел является отсутствие совершенной системы мероприятий, с помощью которых можно было бы подготовить нетелей к машинному доению, раздоить коров в родиль -ном отделении, а затем на первом этапе лактации в основном стаде. Все это усугубляется недостаточной механизацией указанных выше технологических процессов и несовершенством конструкций применяемого технологического оборудования.

Основным недостатком существующих массажников и доильных аппаратов является их несоответствие физиологическим особенностям животных.' В частности, современные доильные аппараты не обеспечи -вают стимуляции рефлекса молокоотдачи и, следовательно,полного выдаивания коров.

В связи с этим исследования, связанные с соверсенствованием технических средств массажа вымени короэ посредством создания обоснованных исполнительных органов массажников, а также мероприятия, направленные на совершенствование технологии преддоильной подго -товки, являются актуальными.

Работа выполнена в соответствии с целевой комплексной прог -рамной научно-исследовательских работ Оренбургской государственной сельскохозяйственной академии (. номер государственной регистрации 01660081270 ).

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ- совершенствование технических средств для массажа вымени при раздое коров для реализации индивидуального генетического потенциала животных.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ - технологический процесс комплексной пред доильной подготовки коров с помощью механических массажников.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА - заключается в разработке механизированного способа комплексной преддоильной подготовки вымени коров с целью создания стереотипа массажного воздействия. При этом в понятие стереотипа вкладывается создание одинаковых условий массажа вымени по месту и направлению воздействия на вкмя С массаж дна вымени и оснований сосков) идентичными кассажниками и специальными доильными аппаратами с массажным эффектом на Есех этапах преддоильной подготовки .

Разработаны теоретические модели, опясывакцие характер взаимо-

- k -

действия исполнительных органов массажников с выменем и определены оптимальные параметры исполнительных органов.

Разработан метод определения упругих характеристик вымени , достоверность которого подтверждена результатами эксперименталь -них исследований.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ предложенного технического решения мае-сажника подтверждена авторским свидетельством на изобретение I50SCC6.

Обоснованы геометрические и технологические параметры исполнительных органов массажников для различных этапов преддоильной подготовки коров.

Разработаны и изготовлены рабочие образцы массажников для вымени, которые доказали эффективность в условиях производственных испытаний.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. Образцы технологического оборудования внедрены с положительным эффектом на молочно-то -Варной ферме акционерного общества "Заря" Ташлинского района Оренбургской области. Опытная партия массажников изготовлена на Илек • с ком РТП и внедрена в хозяйствах.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссерта -ционной работы заслушивались на научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов факультета механизации сельского хозяйства С Оренбург, ГСХА,I99C-I995гг.), ка II Межрегиональной конференции молодых ученых и специалистов I. Оренбург, ГСХА, 1595г.), на научно-производственно? конференции ( Оренбург, ГСХА, 1995 г О

1иБЛИХАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 3 работы, получено авторское свидетельство на изобретение.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ, диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырех разделов , общих выводов и приложений. Содержит 26 рисунков, II таблиц, спи -сок литературы С 141 наименование ).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

сведение. Обоснована актуальность выбранной теш исследова -ний и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

3 первой главе "Анализ состояния проолемы, цель и задачи исследований" проведен обзор научных работ по теме диссертации.

Установлено, что среди аспектов повышения продуктивности ко-

ров основными являются:

- подготовка нетелей к машинному доению, что позволяет,в том числе, увеличить емкость вымени ;

- раздой новотельных коров благодаря применению дополнительных стимулирующих приспособлений.

Хорошо известны исследования Е.И. Админа, Э.К. Вальдмана, Э. А; Келписа, Л.П. Карташова, С.А. Соловьева, которые внесли значительный вклад в изучение физиологии механизма доения коров и совершенствование технологического оборудования.

В то же время анализ существующих массажных устройств показал, что несмотря на все их разнообразие, до настоящего времени не разработано массажное устройство, с помощью которого можно было бы осуществить воздействие на вымя на всех этапах (нетели, массаж в родильном отделении, воздействие на вымя коров в основном стаде). Работы по созданию таких устройств ведутся, главным образом,в направлении усложнения существующих конструкций.

Трудами многих исследователей подтверждено положительное влияние механического способа массажа вымени при подготовке нетелей к машинному доению. При доении коров находят применение устройства, осуществляющие дополнительное массажное воздействие на соски с целью стимуляции и поддержания рефлекса молокоотдачи. В этой связи имеют место различные разработки стимулирующих доильных аппа -ратов, основанных на различных принципах взаимодействия с молочной железой.

Однако одностороннее решение по выполнению отдельных техно -логических приемов только кассажниками или только стимулирующи -ки доильными аппаратами в настоящее время к существенному изме -нению в практике машинного доения не привело.

Следовательно, возможным вариантом решения указанной проб -лемы является совместное использование массакников для вымени и доильных аппаратов с кассажниками для сосков.

Исходя из изложенного были поставлены следующие задачи ис -:ледования:

I. На основе анализа литературных данных и передового опыта разработать конструкцию массакника, с помощью которого можно было бы осуществить воздействие на вымя на всех этапах подготовки ко -ров к лактации (нетели, массаж в родильном отделении, в основном стаде), ^ри этом должна быть предусмотрена возможность совместного использования массакника для вымени и доильных аппаратов с мае-

сажниками для сосков.

2. Дать теоретическое обоснование формы массакника и- выявить основные факторы, оказывающие влияние на работу исполнительного органа массакника.

3. Обосновать основные параметры массажного устройства.

Провести лабораторную и производственную проверку предлагаемых технических средств.

5. Оценить экономическую эффективность использования массажников.

Во второй главе " Теоретические исследования " приводятся основные положения теоретических исследований, имеющихся в работе.

В-предлагаемой конструкции массажника непосредственное механическое воздействие на дно вымени осуществляется при помощи дугообразных гибких резиновых шлангов, установленных вертикально на кольце исполнительного органа.

Эффективность работы массакника определяется характером взаимодействия его исполнительного органа с выменем животного.

При построении теоретической модели взаимодействия исполнительного органа массажника с выменем был принят ряд допущений:

- исполнительный механизм имеет привод, который обеспечива -ет постоянное усилие воздействия на вымя ;

- при контакте с поверхностью вымени гибкий шланг и вымя образуют плоскость контакта, величина которой зависит от упругих характеристик шланга и вымени ;

- гибкий шланг представлен в виде последовательно соединен -ных каров, имеющих общую ось ;

- гибкие шланги исполнительного органа в совокупности пред -ставляют упругую мембрану в виде сегмента высотой Н, опирающуюся нг окружность радиуса % (рис.1).

Если выбрать систему координат с началом в центре окружности (рис.1), то уравнение мембраны запишется в зиде:

г -- > //-/? (I)

■У2 и1

где Р определяется соотношением О - 1 * Н

2Н

При контакте с выменем мембрана деформируется и принимает вид, (рис.1 б ). Пятно контакта мембраны с выменем, в соответствии с принятыми допущениями представляет плоский круг, деформация мембраны в каждой точке которого равна деформации вымени в той же точ-

ке С Л-/7, )•

Давление в точке ( X,У ) определится из выражения:

Р(х.у)*к[8(х.у)ла]

где д Сх|у)- деформация в точке ;

К - постоянный коэффициент. Тогда сила, действующая на площадь контакта.будет равна:

Р(Н)- ¡¡« [8(х.у)ди] ¿хс1у

С 2 )

Ъ

где D - область контакта (круг, радиус которого определится из условия:

После интегрирования уравнения ( 2 ) в соответствующих пределах окончательно получим

Полученное уравнение позволило выявить основные параметры исполнительного органа массажника, определяющие усилие воздействия на вымя.

Эффективность воздействия исполнительного органа массакника на вымя во многом зависит от применяемого механизма привода.Поскольку в условиях МТ§ имеется возможность использования пневмомеханичес -ких приводных устройств, в качестве вариантов пневмопривода были выбраны сильфоны и пневмокакеры.

В результате анализа литературных данных и проведенных теоретических исследований получены аналитические выражения,которые могут быть использованы при проектировании подобных механизмов.

В третьей главе " Методика экспериментальных исследований"из-ложены методические подходы к обоснованию оптимальных параметров массажника и пневмопривода.

При разработке конструкции массажника в основу были положены физиологические особенности животного. В частности, для имитации воздействия теленка на вымя исполнительный орган обеспечивает силовое воздействие на дно вымени, одновременно осуществляя его массаж.

( 3 )

Рис.1. Схема взаимодействия массажника с выменем

Рис.2. Исполнительный орган массажника

I- кольцо ; 2- эластичные шланги; 3-иток

В—

Рис.3. Структурная схема установки

1-пневмопривод; 2- кольцо исполнительного механизма; 3-гибкиР шланг ; 4-искус-стЕенное вымя; 5-тензо -датчик; 6-тензоусклитель; У-осциллогра1! ;8-блок записи и оценки.

Выбор такого способа воздействия на вымя не случаен. Впервые использовать гибкие шланги для этих целей предложили С.А. Соловьев и др. В дальнейшем предложенная конструкция была усовершенст -вована: горизонтально расположенные шланги были заменены на дугообразные. Такое расположение шлангов оказалось более эффективным и надежным в работе, что было подтверждено последующими многократными испытаниями.

Предложенная конструкция исполнительного органа массажника имеет техническую новизну,которая защищена авторским свидетельством на изобретение 1505С06.

Воздействие вакуума на соски и массаж основания сосков осуществлялся использованием совместно с массажником специального доильного аппарата, разработанного на кафедре "Механизация животноводства" Оренбургской ГСХА авторским коллективом во главе с доктором технических наук П.И. Огородниковым.

Общий вид исполнительного органа массажника приведен на рис. 2. Он состоит из следующих основных частей: кольца I, закреплен -ного на крестовине, эластичных трубок 2 и штока 3.

Работа осуществляется следующим образом. Исполнительный ор -ган подводится под вымя животного, после чего поднимается на не -обходимую высоту до соприкосновения с дном вымени. Затем включа -ется пневмопривод, который через шток 3 осуществляет вертикаль -ные возвратно-поступательные движения исполнительного органа с заданной пульсатором амплитудой и частотой.

С целью оценки эффективности работы исполнительного органа массажника, определены оптимальные значения его следующих характеристик:

- радиуса кривизны гибких шлангов ;

- диаметра гибких шлангов ;

- количества шлангов, устанавливаемых на кольце.

Была проведена серия лабораторных испытаний на установке , структурная схема которой приведена на рис.3.

Для определения величины деформации Екмени, вызыэаекой исполнительным органом кассахника, необходимо знание упругих характе -ристик дна вымени животных, подвергаемых массажу. Определение за -висимости величины деформации ъ точках дна вымени, проводилось по схеме, изображенноГ на рис.4.

При проведении данных исследований использовался специальный прибор нашей конструкции, позволяющий определять упругую деформа-

Рис.4. Точки вымени, в которыэ проводились измерения дефор -мации

1-дно вымени С вид снизу );

2- соски; 3- точки вымени

Рис. 5. Схема стенда для ис -питания сильфона

I- основание; 2- кронштейн; 3-сильфон; 4-тензоэлемент т 5-нажимной винт; 6- упор;

7-регистрирующий прибор ;

8- тензоусилитель.

Рис.7. Номограмма для определения величины разрежения в сильфоне при заданном переме -шении

цию в соответствующих точках.

Отдельным блоком лабораторных исследований являлось определение параметров механизмов привода массажника. для проведения исследований были разработаны и изготовлены специальные стенды.

Схема тензометрического стенда, при помощи которого проводились исследования сильфонов, приведена на рис.5.

Для определения эффективности любой конструкции технологи -ческого оборудования в животноводстве, необходимо проведение комплексной проверки в производственных условиях. Основной причиной этого является трудность воспроизведения в лабораторных условиях ряда физиологических особенностей живого организма.

Производственные эксперименты проводили по известным методикам с подбором групп-аналогов животных. Для определения эффективности массажных устройств использовали следующие показатели:

- данные обмеров вымени, как показатель развитости вымени ;

- интенсивность молоковывепения, как показатель, характери -зующий индивидуальные свойства молоко отдачи ;

- равномерность развития четвертей вымени, как показатель , характеризующий полноту раздоя животных ;

- жирность ;

- количество выдоенного молока ;

- время доения и др.

Определение указанных показателей проводили с использова -нием разработанного на кааедре "Механизация животноводства"Оренбургской ГСХА аппарата для раздельного выдаивания четвертей вымени, а также с использованием общепринятых методов,описанных в литературе.

В четвертой главе "Результаты экспериментальных исследований" приведена интерпретация лабораторных и производственных экспериментов.

В результате лабораторных испытаний устройства для массажа вымени установлена работоспособность его отдельных узлов и аг -регатов.

Получена модель трехфакторного эксперимента в кодированном

виде:

а) для негелей

У = 3,37 - 0,61 Хх + 0,57 Х2 + 0,69 Ц - 0,21 Х^ - ОДеХ^-- С-,31 Х2ХЭ + 0,12 ХХХ2Х3

б) для лактирующих коров

У = 1,60 - 0,59 Хх + 1,15 Х2 + 0,50 Х3 - 0,36 Х^ -- 0,06 Х-^ + 0,25 Х2Х3 + 0,01 Х2Х2Х3

где Х^- - радиус кривизны гибких шлангов ; Х2 - диаметр гибкого шланга ; Х3 - количество гибких шлангов.

Анализ моделей показал, что наибольшее влияние на эффектив -ность массажного воздействия оказывает радиус кривизны гибких шлангов. С увеличением радиуса кривизны шлангов усилие воздейст -вия уменьшается и напротив, при увеличении диаметров шлангов и их количества, усилие воздействия возрастает.

В конструкции исполнительного органа лактирующих коров еле -дует использовать гибкие шланги меньших диаметров по сравнению с нетелями.

Анализ результатов упругих свойств вымени показал следующее.

1. Аналитическое выражение зависимости деформации вымени в точках от давления имеет вид:

о

где Р - давление в точках, Н/м ; К - постоянный коэффициент. Значения этих коэффициентов, полученных в результате машин -ной обработки опытных данных, равны:

П - 3/2 К = 120,531-Ю5 Н/м3,5

2. Болевые ощущения у животных наблюдались при величине де -

формации вымени в точках X = 25-Ю-3 м, что соответствует давле -

нию ¡,

Р = 5-Ю4 кПа.

На наш взгляд, эту деформацию и давление в точках следует считать критическими и не превышать их при массаже.

Графическая зависимость деформации вымени в точках от дав -ления в них приведена на рис.6.

Данные, полученные при обработке осциллограмм, свидетельст -вуют о наличии функциональной зависимости между силой сопротивления перемещению сильфона и величиной его рабочего хода. Получено уравнение линейной регрессии, выражающей эту зависимость.

Для практических целей удобно эту зависимость представить в

А -АЛ,

где К - постоянный коэффициент С для данного сильфона ),величина которого определяется на основании _ опыта , описанного в работе. Полученные при исследованиях результаты позволяют построить номограмму, которой весьма удобно пользоваться при расчетах пневмопривода для определения величины вакуума.

Исходными данными для построения номограммы являются урав -нения:

р _ р J//?н - /?ё ) - сила тяги сильфона,

Fa = КХ - сила сопротивления переме -

щению сильфона.

Шкалы Fc и F к строятся в одинаковом масштабе соответст -венно во II и 1У квадрантах.

Такая номограмма, построенная для одного из исследованных сильфонов, приведена на рис. 7.

Номограмма значительно ускоряет и облегчает расчеты пневмоприводов, в которых используются сильфоны .

Экспериментальные исследования пневмокамер подтвердили сделанные нами теоретические предположения и показали, что между силой нажатия ктока пневмокамеры и величиной разрежения в пнев -мокамере существует функциональная зависимость, которая может быть выражена аналитическим выражением:

FcT. (Шь)Ка ,

где L) - диаметр мембраны ;

- величина разрежения ъ пневмокамере ; . 2

„ / f С + С ц, - постоянная для данной мембраны величина,

К о--;-К/

о зависящая от отношения Q = d D

Кх - коэффициент, зависящий от материала мембраны и ее толщины, определяемый экспериментом. Получены значения К^ для различных по размерным параметрам

мембран, используемых в приводе массакника С D = I2G км ; ре -эина д = ^ мм ).

- щ _

Результаты, полученные в ходе производственных испытаний .показали, что в группе животных, которая проходила подготовку к отелу с применением предлагаемых нами массажных устройств, вымя ока -залось достоверно больше ( Р^0,05 ) по ширине, обхвату, глубине передних и задних четвертей соответственно на 15,1 ; 20,5; 23,1 ; 16,2 ; 16,1 %.

В опытной группе животных с желательно? формой вымени было на 20 % больше, чем в контрольной.

Для адаптации к машинному доению, первотелкам опытной группы потребовалось всего 1-5 доек по сравнению с 12-13 для животных контрольной группы.

Величина молочной продуктивности у животных опытной группы по сравнению с контрольной достоверно ( Р с 0,05 ) увеличилась по надою за лактацию на 13,1 %, по жирности молока- на 1,9 %, по скорости молокоотдачи - на 24,6 %.

Расчет эффективности предлагаемой технологии выполнен по об -щепринятой методике. Результаты расчетов представлены в общих выводах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных данных показал, что одним из факторов, влияющих на эффективность машинного доения, является массаж вымени. К сожалению, выпускаемые промышленностью массажники несовершенны

и не отвечают зоотехническим требованиям.

2. Разработанная нами классификация массажников, позволила выявить основные направления их дальнейшего совершенствования.

Наиболее перспективным является комбинированный массажник с исполнительным механизмом в виде гибких шлангов с пневмоприводом. Такой массажник пригоден для подготовки нетелей к машинному дое -нив, к раздою в родильном отделении и преддоильной стимуляции коров. Массажник с гибкими шлангами обрабатывает дно вымени и основания сосков.

3. Предложенный массажник воздействует на рефлексогенные зоны вымени. Он оказывает механическое воздействие на дно вымени и основания сосков и вакуумметрическое - на соски.

С целью обоснования параметров массажника и выявления основных факторов, влияющих на эффективность массажа, была разработана модель взаимодействия массажника с выменем.

5. В качестве механизма привода выбраны пневмоприводы вида "сильфон" и "пневмокамера", так как именно эти приводы позволяют регулировать величину деформации вымени в физиологически допустимых пределах.

6. Предложены методики лабораторных испытаний массажников и . их пневмоприводов, позволяющие оценить величину их силового воз -действия.

. Для этого разработаны специальные стенды,в частности, имита -тор вымени, включающий соответствующие блоки восприятия оценки и записи контактного взаимодействия с массажником, а также стенды для испытания пневмоприводов типа "сильфон" и "пневмокамера".

7. На основе реализованного многофакторного эксперимента по -лучены аналитические '.зависимости, определяющие параметры исполни -тельного органа массажника для нетелей и коров. В частности,уста -новлено, что исполнительны? орган для нетелей имеет одинарные шланги С диаметр гибкого шланга 22 мм, радиус кривизны шланга 18 см),а для коров- дзойные гибкие шланги, ( диаметр 15 мм, радиус кривизны - 20 см).

8. Производственные исследования показали, что при применении предлагаемого массажника вымя нетелей более развито С его объем по сравнению с контрольной группой увеличился на 10% ), а показатели продуктивности улучшены С интенсивность выведения молтса увеличи -лась на 22 $ , жирность молока повысилась на 0,7 % ).

9. За счет повышения продуктивности и снижения затрат на об -•• служивание животных экономический эффект составил 409 тысяч рублей

на один кассажник в год.

Основное содержание диссертации опубликозано в следующих ра' ботах:

1. Соловьев С.А., Баловнева Е.Г. К вопросу разработки средств механизации подготовки вымени коров с созданием стереотипа механического воздействия С Тезисы докладов Научно-производственной конференции, Оренбург, 1995 ).

2. Баловнева Е.Г.' Методика оценки воздействия доильных машин на молочную нелезу коров ( Тезисы докладов II Межрегиональной конференции молодых ученых и специалистов, Оренбург, 1595

3. Соловьев С.А., Баловнева Е.Г. Метод преддоильной подготовки коров С Тезисы докладов I Всероссийского симпозиума по машинному доения, ЗАОШ, 1955 ).