автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка весоизмерительного устройства и обоснование режимных параметров при производстве товарных яиц

РГБ ОД 1 1» ДЕК 1998

На правах рукописи Григорьев Михаил Сергеевич

РАЗРАБОТКА ВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА И ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТОВАРНЫХ

ЯИЦ

Специальность 05.20.01 - механизация сельскохозяйственного

производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оренбург - 1998

Работа выполнена в Оренбургском государственном аграрном университете на кафедре «Информатика».

Научный руководитель - доктор сельскохозяйственных

наук, профессор А.А.Аверкиев

Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент Е.Г.Баловнева Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор М.И.Филатов кандидат технических наук В.И.Семенов

Ведущее предприятие ПО «Оренбургптицепром»

Защита диссертации состоится 26 декабря 1998 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 120.95.01 в Оренбургском государственном аграрном университете по адресу: 460795, г.Оренбург, ул.Челюскинцев, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Оренбургского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан « » _ 1998 года

Ученый секретарь диссертационного с доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В решении задач, связанных с производством сельскохозяйственной продукции, важное место занимают вопросы качественного совершенствования технологии производства в различных отраслях сельского хозяйства, в том числе и в птицеводстве. Технология всегда определяет степень развития отрасли, однако возможности ее совершенствования сдерживаются отсутствием необходимой информационной базы. Знание управляющих факторов и их влияния на продуктивность кур позволят получить качественное товарное яйцо с минимальными затратами ресурсов.

В связи с этим, исследования, связанные с совершенствованием технических средств сортировки, транспортировки товарных яиц, а также мероприятия, направленные на снижение боя яиц, являются актуальными.

Работа выполнена в соответствии с целевой комплексной программой научно-исследовательских работ Оренбургского государственного аграрного университета (номер государственной регистрации 01860081270).

Цель исследования - изыскание управляющих факторов регулирования качества и совершенствование технических средств учета яичной продуктивности.

Объект исследования - куриное яйцо как биотехнический объект и технология его получения.

В соответствии с целью исследования сформулированы и решены задачи:

выявить перспективные направления, способы и технические средства повышения качества и сохранности яйца;

получить математическую модель зависимости технических

параметров яйца от управляющих факторов и дать оценку воздействия выбранных факторов;

разработать модель взаимодействия исполнительного органа весоизмерительного устройства с яйцом;

определить рациональные конструктивно-технологические параметры весоизмерительного устройства лабораторными, экспериментальными и производственными исследованиями;

обосновать приоритетное место использования предложенных технических решений в технологическом процессе получения яйца и дать экономическую оценку их применения.

Научная новизна - установлен характер изменения технических характеристик скорлупы яйца. Разработаны теоретические модели, описывающие характер взаимодействия весоизмерительного устройства с яйцом. Определены рациональные параметры весоизмерительного устройства.

Практическая ценность предложенного технического решения подтверждена 2 положительными решениями на полезную модель. Разработаны и изготовлены рабочие образцы весоизмерительного устройства, которые доказали эффективность в условиях производственных испытаний.

Реализация результатов исследования. Образцы технического оборудования внедрены на птицефабрике «Оренбургская» Оренбургской области.

Апробация работы. Основные положения результатов диссертационной работы заслушивались:

на научно-практических конференциях сотрудников и преподавателей факультета механизации сельского хозяйства (Оренбург, ОГАУ, 1996-1998 гг.);

на научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов факультета механизации сельского хозяйства (Орен-

бург, ОГАУ, 1996-1998гг.).

По результатам опубликовано 12 работ, получено 2 положительных решения на полезную модель.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и приложений, изложена на 157 страницах машинописного текста. Содержит 37 рисунков, 14 таблиц, список литературы включает 145 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследований и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ эффективности технического оснащения птицефабрик яичного направления» изложен обзор литературы по теме. Существующие в настоящее время приемы исследования биологических объектов позволяют сделать вывод о том, что в данной области выработался и утвердился метод математического моделирования. При этом в математической модели биологических систем конструируется особый идеальный объект, заменяющий и представляющий реальный. Затем модель исследуется, результаты исследования переносятся на реальный объект и подвергаются всесторонней проверке путем специальных контрольных экспериментов.

К вероятностным относятся биосистемы, определяющие сложные взаимодействия между сигналами окружающей среды и реакциями организма. Адекватным математическим аппаратом для моделирования таких биосистем являются теория детерминированных и случайных сред, теория марковских и случайных процессов, эвристическое программирование. Изучаемый нами объект

- промышленное стадо кур-несушек относится к вероятностным биосистемам. Таким образом, путь изучения биосистем и построение теории их функционирования прямо связан с построением математических моделей исследуемых биосистем.

На основе анализа параметров, определяющих качество товарного яйца, конструктивных решений существующих способов сортировки яиц и оборудования, применяемого для этого, были сформулированы задачи исследования.

Во второй главе «Теоретическое исследование основных закономерностей влияния промышленно-формируемой среды обитания на продуктивность птицы» приводятся положения теоретических исследований, имеющихся в работе. Изложены построения линейных и неполных степенных математических моделей биотехнических объектов применительно к управляющим факторам, оказывающим наибольшее воздействие на изменение технических параметров яйца.

Эффективность работы весоизмерительного устройства зависит от соотношения конструктивных параметров узлов и деталей. В связи с этим мы рассмотрим расчетную схему (рис.1) на предмет выявления его основных параметров.

При построении теоретической модели весоизмерительного устройства был принят ряд допущений:

максимальная скорость движения яйца не должна превышать 0,3 м/с (Уд < 0,3 м/с);

- нормальная прочность скорлупы не менее 31 Н;

перемещение штока ЛИ определяется исходя из конструкции датчика;

время цикла не должно превышать 1 с.

Соответствующие жесткости Со и Сг пружин демпфера и возвратного механизма рассчитываются и проверяются.

Разработанный нами пружинный демпфер является динамическим гасителем колебаний линейной колебательной системы и представляет собой схему двухкаскадной (двухъярусной) изоляции. Принимаем, что система находится в затухающих гармонических колебаниях около положения статического равновесия. Силы тяжести при этом не учитываем, так как от них зависит лишь положение статического равновесия. Уравнения движения устройства имеют следующий вид:

ШцХ, +с0х0 -с0х, =К sin cat mixi ~ctxo +lco =0

где: mo - масса гасителя, кг;

mi - масса исполнительного органа, кг;

хо - перемещение гасителя, м;

X: - перемещение исполнительного органа, м;

со, ci - жесткости пружины гасителя и демпфера;

х - вторая производная;

Fo - амплитуда внешней силы;

и - частота возбуждения, Гц;

t - время затухания колебаний, с.

Амплитуда колебаний равна:

-т,со2+с0+с, ° (- твю2 + с01- т,со2 + с0 + с,)- cj

Парциальная частота гасителя:

ш.

Проанализируем параметры пружины гасителя и возвратного механизма. Удовлетворительное приближение можно получить, принимая, что колебания системы отстают на 90° от действующей

на массу то переменной силы Розт В таком случае, работа, совершаемая за цикл, равна:

2к /со 2 к/со (

|F0 sin cotdx 0 = j F0 sin cota0co cos

cot--

V 2y

dt =jtF0a0

о 0

Энергия, рассеваемая в гасителе за цикл вследствие действия сил сопротивления, пропорциональных относительной скорости, равна:

гг«/» i(^o-x,)d(x„-x,)= \ (x„-xjdt =

и ч о

= |Хгсогcoa2l ort-jjdt = 7iw^

Приравнивая рассеянную энергию совершаемой работе, получаем:

Х2 _ JV4

И

Возвратная пружина совершает затухающие, гармонические колебания, описываемые уравнением вида:

X + 2ßx + coj =0

где: 2ß = r/m; юо2 = c/rn.

ß - скорость затухания колебаний; г - коэффициент сопротивления; с - коэффициент квазиупругой силы; m - масса;

ш - частота колебаний.

Проведя преобразования и подстановки, получим:

х = a0e-ßtcos(iot + а)

где: а0 и а - произвольные постоянные; СО- вещественная величина, равная:

СО = y/(ù l - Р 2 В соответствие с принятым ранее, движение системы можно рассматривать как гармоническое колебание с частотой со и амплитудой, изменяющейся по закону a(t) = аое-"1, что является логарифмической функцией. Начальное смещение хо зависит, кроме ао, также от начальной фазысо; хо = aocosa. При незначительном сопротивлении среды (воздух) период колебаний практически равен То = 2л / соо. Последующие наибольшие отклонения в ту или другую сторону образуют геометрическую прогрессию, отношение значений амплитуд, соответствующих моментам времени, отличающимся на период, называют декрементом затухания, а его логарифм - логарифмическим декрементом затухания:

Х= ln a(t) / a(t + Т) = РТ. Индуктивные датчики относятся к электромагнитным датчикам, в которых измерительный ход преобразуется в изменение одной или нескольких индуктивносгей. Датчик состоит из катушек индуктивности, между которыми перемещается якорь. Для такого дроссельного датчика изменение индуктивности выражается:

L = L„—!— .L.O + kÇ + k«^) 1 + kÇ

где: Lo - начальная индуктивность; к - магнитная постоянная;

измерительный ход. Используя приведенную выше методику, найдем что частотная характеристика весоизмерительного устройства, связывающая напряжение на выходе с ускорением на входе, описывается выражением:

ТТ/ГЧ _ __С_

где: с - постоянная калибровки;

С, - коэффициент затухания;

Гп - частота собственных незатухающих колебаний.

Кроме датчика были рассчитаны другие узлы и детали преобразователя.

В третьей главе Экспериментальные исследования» изложены методические подходы к обоснованию оптимальных параметров весоизмерительного устройства и методики оценки качества продукции.

На основе теоретических исследований была разработана лабораторная установка для уточнения параметров и технических характеристик весоизмерительного устройства, которая состоит из грузоприемной площадки, возвратного механизма, демпфера и измерительного блока. Нами был использован грузоприемный узел, состоящий из шарнирно закрепленной на опорной раме штанги, и жестко прикрепленной к ней грузоприемной площадки.

Быстродействие весоизмерительного устройства определялось снятием переходных характеристик системы, т.е. исследовалось изменение выходного напряжения усилителя во времени при подаче груза (яйца) на грузоприемную площадку. По результатам эксперимента строились переходные характеристики преобразователя сигнала весоизмерителя при взвешивании яиц соответственно первой и второй категории (рис.2). Проанализировав зависимости, можно сделать вывод, что продолжительность измерения веса яйца не превышает 0,55 с при точности измерения веса ± 0,5 г, что соответствует требованиям.

Рис.1. Расчетная схема весоизмерительного устройства

Рис.2. Переходные характеристики сигнала весоизмерителя

Для подбора пружин возвратного и демпфирующего механизмов весоизмерительного устройства на выход датчика подсоединяется осциллограф. На экране осциллографа колебания изображаются кривыми, по которым определяли период и время затухания. При подборе были исследованы пружины различной жесткости. На рис.3 представлены кривые затухания колебаний. Окончательно принимаем для возвратного механизма Со = 2 кН/м, для демпфера С| = 4 кН/м.

Таким образом, проведенные теоретические и экспериментальные исследования подтвердили пригодность выбранного метода измерения веса яйца в устройстве для сбора, контроля и сортировки яиц.

Для определения эффективности любой конструкции технологического оборудования в птицеводстве, необходимо проведение комплексной проверки в производственных условиях. Производственные эксперименты проводили по известным методикам, местоположение и количество датчиков определялось методом диагональных сечений.

Регистрация текущих значений температуры в одной точке осуществлялась периодически с интервалом между записями 12 раз в сутки, относительной влажности воздуха также 12 раз в сутки. Для проверки загазованности воздуха информация непрерывно отмечалась газоанализатором оптико-акустическим ОА-5501 с прибором КСП-4, а также 12 раз в сутки определялась с помощью газоанализатора с индикаторной трубкой, заполненной реагентом. Каждый день в продолжение всего эксперимента мы определяли яйценоскость.

Исследование биотехнического процесса проводились в промышленном птичнике с клеточным содержанием кур-несушек на птицефабрике АОЗТ "Птицефабрика Оренбургская" Оренбург-

ской области. Для проведения производственного эксперимента в зале птичника были выделены контрольная и опытная группа кур-несушек. Клетки с обеими группами были расположены симметрично относительно центральной линии зала, возраст птицы изменялся от 50 до 70...76 недель. В ходе эксперимента регистрировались: масса яиц, индекс формы, толщина скорлупы, упругая деформация скорлупы, прочность скорлупы на прокол, процент боя и насечки.

В четвертой главе «Результаты проведенных научных исследований» приведена интерпретация лабораторных и производственных экспериментов. В результате лабораторных испытаний весоизмерительного устройства установлена работоспособность его отдельных узлов и агрегатов. На рис.4 представлена амплитудная характеристика весоизмерительного устройства, на рис.5 - фазовая характеристика.

Получена модель зависимости яйценоскости кур-несушек промышленного стада от управляющих факторов яйцекладки во времени:

Я = 35,28+3,840+0,6(к-0,10*10-212-0,16*1040+ +0,40* 10-2И<-1,75* 10"5©ф+1,94* 1 (Икср, где: Я - яйценоскость кур-несушек, %; I - интервал яйцекладки, дни; © - температура воздуха в птичнике, "С; к - массовая концентрация аммиака в воздухе, мг/м3; ср - относительная влажность воздуха в птичнике, %. Математическая зависимость между яйценоскостью кур-несушек и массовой концентрацией аммиака представлена в виде:

Я = 12,6- 1,01 к. Модель продуктивности птицы в зависимости от темпера-

Рис.3. Кривые затухания колебаний

И 2,0 а'(2т.Гау

0.35

1,0 0,5

^б, 7

0,5 10

0,1 \

0 1 0,5 1,0 2,0 4,0

Г», Гц

Рис.4. Амплитудная характеристика

туры:

Я = -3,51 +6,О80-О,1702, где: Я - значение яйценоскости, %; 0 - температура воздуха, °С.

Зависимость яйценоскости кур-несушек от влажности имеет

вид:

Я = -134,67 + 6,51ф - 0,57* 10-'ф2. Для практического использования модель процесса может быть представлена в следующем виде:

Я = 0,831 -0,335(t + 0,315) - 0,601(0 + 0,501) - 0,179(ср- 1,395) -О,236(02 - 9,742) -0,061(ср2 - 27,811) + 0,087(1© -10,933) -- 0,025(tq> + 0,675) - 0,018(©q> + 2,935).

где: t - возраст птицы, недель; 0 - температура воздуха в птичнике, °С;

ср - относительная влажность воздуха в птичнике, %. В эксперименте были получены значения яйценоскости в опытной и контрольной группах. Для сравнения полученных экспериментальных данных изменения яйценоскости, они были аппроксимированы линейными зависимостями от возраста птицы: Яо= -0,086 - 0,405(1 + 0,573); Як = -0,685 - 0,612(t + 0,573), где: Яо - оценка яйценоскости в опытной группе, %; Як - оценка яйценоскости в контрольной группе, %; t - возраст птицы, недель. Графики изменения продуктивности кур-несушек в зависимости от возраста птицы в опытной и контрольной группах приведены на рис. 6.

Рис.6. Изменение яйценоскости в зависимости от возраста кур-несушек

На рис.7 представлены зависимости яйценоскости от управляющих факторов в опытной и контрольной группах. Параллельно с количественными показателями оценивались качественные (табл.).

Результаты производственной проверки

Основные показатели Опытная Контрольная

Диетические 1,8% 0,8%

Столовые 1 93,8% 89,7

Столовые 2 4,4 9,5%

Масса, г 63,3 + 0,24 61,58 ±0,23

Индекс формы, % 74 + 0,32 75 ±0,34

Упругая деформация, мкм 22,0 ±0,3 23,0 ±0,3

Толщина, мкм 339,3 ±7,5 334,4 ±6,7

Прочность, Н 12,6 ±0,31 11,9± 0,29

Бой, % 5+ 0,12 У ± 0,11

В разделе Экономическая эффективность» показано, что реальный экономический эффект получен за счет повышения продуктивности кур-несушек путем изменения технологического режима содержания и внедрения весоизмерительного устройства. Расчет экономической эффективности проведен в соответствии с "Методикой определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений". Применение предлагаемого устройства позволило повысить продуктивность кур-несушек в среднем на 3,6%, годовой экономический эффект составил 5550 руб.

30

10

40

75

о п ^ 1

О/ к—• о\о

О/ \_2_

оЛ»

20

25 О, °С

5 !0 15 20 25

к, ыг/ы;

50

60

70 ф, %

Рис.7. Изменение продуктивности кур-несушек под действием управляющих факторов

5

/

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Анализ литературных источников показал, что современный промышленный птичник не может рассматриваться как чисто биологический объект. Он представляет собой неразрывную совокупность биологического объекта и технических средств формирования среды обитания. Существование птицы практически невозможно без функционирования технологического оборудования. Изменение факторов среды обитания вызывает соответствующую реакцию биологического объекта, что позволяет осуществлять управление его продуктивностью, качеством и сохранностью товарного яйца.

2. Получена математическая модель зависимости яйценоскости от управляющих факторов. Относительная влажность воздуха в птичнике имеет коэффициент вариации 12% при среднем значении 63% и стандартном отклонении 8%. При исключении параметра относительной влажности из уравнения модели потеря информации составляет 7,6%, в то же время исключение содержания аммиака приводит к потере информации 51,1%.

3. Для обоснования параметров весоизмерительного устройства и выявления основных факторов, влияющих на яйценоскость, была разработана модель взаимодействия исполнительного органа с яйцом.

4. Исходя из требуемого быстродействия весоизмерительного устройства были определены и рассчитаны конструктивные и технологические параметры. В качестве весовоспринимающего элемента используется датчик АРП-1, жесткость пружины возвратного механизма Со = 2 кН/м, демпфера С| = 4 кН/м. Продол-

жительность измерения веса яйца не превышает 0,55 с при точности измерения веса ± 0,5 г, что соответствует заданной точности и производительности устройства.

5. Предложены методики лабораторных испытаний весоизмерительного устройства, позволяющие оценить переходные процессы при выполнении взвешивания.

Для этого разработаны стенды для испытания, имитирующие различные технологические параметры процесса.

6. В результате математической обработки экспериментальных данных определены результаты воздействия управляющих факторов на продуктивность кур и параметры товарного яйца.

7. За счет повышения продуктивности в среднем на 3,6% и снижения отхода яиц при сортировке экономический эффект составил 5550 рублей на одно весоизмерительное устройство в год.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Григорьев М.С. Информационная оценка значимости элементов основных технологических процессов в сельском хозяйстве. /Тезисы докладов региональной конференции молодых ученых и специалистов (часть I) - Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 1996 -168 с.

2. Григорьев М.С. Обобщенная схема операции и ее нормальной математической модели. - Информационный листок № 263-96. Оренбург.: ЦНТИ, 1996.

3. Григорьев М.С. Проблема оценки информационной значимости отдельных элементов основных технологических процессов. /Тезисы докладов научно-производственной конференции научных сотрудников и преподавателей факультета механизации сельского хозяйства ОГАУ. Оренбург, 1996.

4. Григорьев М.С. Математическое моделирование технологического процесса производства яиц. /Труды сотрудников и пре-

*

подавателей факультета механизации сельского хозяйства. Том 1 -Оренбург, 1997 - 112 с.

5. Григорьев М.С., Курганов И.Н.. Анализ систем обеспечения микроклимата в птичниках при выращивании бройлеров. /Труды сотрудников и преподавателей факультета механизации сельского хозяйства. Том 2.1 Тр. Оренбургского государственного университета. - Оренбург: ОГАУ., 1998 - 108 с.

6. Шепель В.Н., Григорьев М.С. Выбор метода описания производственных процессов, протекающих на животноводческих фермах. /Труды сотрудников и преподавателей факультета механизации сельского хозяйства. Том 2.1 Тр. Оренбургского государ-

ственного университета. - Оренбург: ОГАУ., 1998 - 108 с.

7. Шепель В.Н., Григорьев М.С. Кибернетический подход к описанию производственных процессов высокомеханизированных животноводческих ферм. /Труды сотрудников и преподавателей факультета механизации сельского хозяйства. Том 2. /Тр. Оренбургского государственного университета. - Оренбург: ОГАУ., 1998 - 108 с.

8. Григорьев М.С., Курганов И.Н. Оценка ошибки воспроизведения полезного сигнала. /Труды сотрудников и преподавателей факультета механизации сельского хозяйства. Том 2./ Тр. Оренбургского государственного университета. - Оренбург: ОГАУ., 1998- 108 с.

9. Шепель В.Н., Григорьев М.С. Модели для исследований и модели для управления./ Труды сотрудников и преподавателей факультета механизации сельского хозяйства. Том 2.1 Тр. Оренбургского государственного университета. - Оренбург: ОГАУ., 1998 -108 с.

10. Григорьев М.С. Результаты исследований, проведенных по оптимизации температурно-влажностного режимов в птичнике. /Тезисы докладов региональной конференции молодых ученых и специалистов (часть III) - Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 1998.

11. Устройство для весовой сортировки. Положительное решение № 98101861.

12. Устройство для весовой сортировки. Положительное решение № 98101869.

Оренбургский государственный аграрный университет

На правах рукописи

Григорьев Михаил Сергеевич

РАЗРАБОТКА ВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА И ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТОВАРНЫХ ЯИЦ

05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор сельскохозяйственных наук, профессор Аверкиев A.A.

Научный консультант кандидат технических наук, доцент Баловнева Е.Г.

Оренбург, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................4

1. Анализ эффективности технического оснащения птицефабрик яичного направления.............................................................................................................7

1.1. Характеристика особенностей исследуемых биотехнических объектов.7

1.2. Особенности исследования биологических объектов в технике............8

1.3. Физико-химические свойства яйца........................................................9

1.4. Факторы, влияющие на основные показатели качества яиц................15

1.4.1. Вид, порода, кросс, индивидуальные особенности...........................16

1.4.2. Анализ влияния основных управляющих факторов..........................18

1.5. Реакция птицы разного возраста на воздействие температурно-влажностных факторов......................................................................................27

1.5.1. Возраст несушек, линька..................................................................27

1.5.2. Яйценоскость, ритмичность яйцекладки..........................................29

1.6. Живая масса, экстерьер, интерьер ......................................................32

1.7. Кормление птицы................................................................................32

1.8. Связь между основными показателями качества яиц..........................33

1.9. Анализ информационной оценки состояния технологических процессов производства яиц..............................................................................38

1.10. Обзор существующих технических средств обеспечения механизированной технологии производства яйца............................................39

2. Теоретическое исследование основных закономерностей влияния промышленно-формируемой среды обитания на продуктивность птицы.................50

2.1. Математические методы планирования эксперимента........................50

2.2. Исследование влияния параметров микроклимата на продуктивность птицы.................................................................................................................57

2.2.1. Построение математической модели взаимосвязи параметров микроклимата с продуктивностью птицы..........................................................58

2.2.2. Оценка адекватности математической модели .................................62

2.2.3. Исследование влияния отдельных параметров среды обитания на биотехнический процесс производства яиц .......................................................64

2.2.4. Исследование влияния температурно-влажностных параметров среды обитания на продуктивность птицы ..................................................................67

2.2.4.1. Зависимость между яйценоскостью кур-несушек и температурой воздуха..............................................................................................................67

2.2.4.2. Зависимость между яйценоскостью кур-несушек и относительной влажностью воздуха в птичнике........................................................................69

2.2.4.3. Зависимость между яйценоскостью кур-несушек, возрастом,

температурой и относительной влажностью воздуха в птичнике.......................71

2.2.4.4. Оптимальные значения температуры и относительной влажности воздуха как входных параметров.......................................................................81

2.3. Теоретическое обоснование основных элементов весоизмерительного устройства.........................................................................................................85

2.3.1. Расчет пружинного демпфера...........................................................87

2.3.2. Обоснование выбора преобразователя веса.....................................91

3. Экспериментальные исследования...........................................................103

3.1. Обоснование основных положений методики исследования биотехнической системы.................................................................................. 103

3.1.1. Выбор метода проведения эксперимента........................................ 103

3.1.2. Выбор методов сбора и обработки информации............................ 103

3.1.3. Обоснование требований к устройствам сбора информации.......... 104

3.1.4. Обоснование выбора и представительного количества информативных точек установки датчиков с целью получения

репрезентативного объема информации.......................................................... 108

3.1.5. Определение периодичности сбора информации............................ 109

3.1.6. Методика определения яйценоскости............................................. 110

3.2. Методика лабораторного эксперимента............................................ 1 11

3.2.1. Обоснование конструкции и принципа действия весоизмерительного механизма........................................................................................................ 111

3.2.2. Методика проверки весоизмерительного устройства.................... 112

3.3. Методика проведения производственного эксперимента.................. 117

3.3.1. Описание условий проведения эксперимента ................................. 117

3.3.2. Методика оценки качества продукции........................................... 122

3.3.4. Классификация методов................................................................. 122

3.3.5. Оценка яиц в целом........................................................................ 124

4. Результаты проведенных исследований................................................... 132

4.1. Результаты экспериментальной проверки предложенной методики.. 132

4.2. Использование математической модели для прогнозирования продуктивности кур-несушек........................................................................... 138

4.3. Расчет экономической эффективности от внедрения методики оптимизации температурно-влажностного режима в промышленном птичнике ........................................................................................................................ 148

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ...................................................... 153

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................ 155

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................... 168

ВВЕДЕНИЕ

В решении задач, связанных с производством сельскохозяйственной продукции, важное место занимают вопросы качественного совершенствования технологии производства в различных отраслях сельского хозяйства, в том числе и в птицеводстве. Технология всегда определяет степень развития отрасли, однако возможности ее совершенствования сдерживаются отсутствием необходимой информационной базы.

Значительный рост количества информации в связи с непрерывным усложнением технологии и появлением дешевых средств вычислительной техники, способных оперативно обрабатывать большие объемы информации, делают возможным и экономически целесообразным применение последних в системах управления технологическими процессами, реализующих функции сбора информации-, оперативной идентификации объекта управления, выдаче управляющих воздействий, контроля состояния процесса и протоколирования измеряемых значений.

Эффективность управления зависит от качества используемой информации, поэтому рассмотрение вопросов, связанных с режимами сбора и обработки информации при высоком ее качестве являются актуальными. Работа выполнена в соответствии с целевой комплексной программой научно-исследовательских работ Оренбургского государственного аграрного университета (номер государственной регистрации 01860081270).

Цель исследования - изыскание управляющих факторов регулирования качества и совершенствование технических средств учета яичной продуктивности.

Объект исследования - куриное яйцо как биотехнический объект и технология его получения.

В соответствии с целью исследования сформулированы и решены задачи:

- выявить перспективные направления, способы и техниче-

ские средства повышения качества и сохранности яйца;

- получить математическую модель зависимости технических параметров яйца от управляющих факторов и дать количественную оценку комплексного воздействия выбранных факторов;

- разработать модель взаимодействия исполнительного органа весоизмерительного устройства с яйцом;

- определить рациональные конструктивно-технологические параметры весоизмерительного устройства лабораторными, экспериментальными и производственными исследованиями;

- обосновать приоритетное место использования предложенных технических решений в технологическом процессе получения яйца и дать экономическую оценку их применения.

Научная новизна - установлен характер изменения технических характеристик скорлупы яйца. Разработаны теоретические модели, описывающие характер взаимодействия весоизмерительного устройства с яйцом. Определены рациональные параметры весоизмерительного устройства.

Практическая ценность предложенного технического решения подтверждена 2 положительными решениями на полезную модель. Разработаны и изготовлены рабочие образцы весоизмерительного устройства, которые доказали эффективность в условиях производственных испытаний.

Реализация результатов исследования. Образцы технического оборудования внедрены на птицефабрике «Оренбургская» Оренбургской области.

Апробация работы. Основные положения результатов диссертационной работы заслушивались:

- на научно-практических конференциях сотрудников и преподавателей факультета механизации сельского хозяйства (Оренбург, ОГАУ, 1996-1998 гг.);

- на научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов факультета механизации сельского хозяйства (Оренбург, ОГАУ, 1996-1998гг.).

По результатам работы опубликовано 12 работ, получено 2 положительных решения на полезную модель.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и приложений и изложена на 155 страницах машинописного текста. Содержит 37 рисунков, 14 таблиц, список литературы (145 наименований).

1. Анализ эффективности технического оснащения птицефабрик яичного направления

1.1. Характеристика особенностей исследуемых биотехнических

объектов

Для производства яиц в промышленном птичнике необходим ряд технологических процессов, без осуществления которых жизнедеятельность птицы невозможна. К ним относятся: приготовление и раздача корма, обеспечение необходимых параметров микроклимата, водоснабжение и электроснабжение, сбор яиц, поме-тоудаление, контроль за состоянием птицы и работой технологического оборудования [23, 25, 128, 129]. Производство яиц связано с технологиями, осуществляемыми техническими средствами, т.е. промышленный птичник является биотехническим объектом.

Анализ основных технологических процессов [27, 93, 111] позволил нам сформулировать некоторые характерные особенности промышленного птичника как объекта исследования:

• непосредственная и неразрывная связь технических средств с возможностью существования птицы и, следовательно, тесное сочетание организационных, технических и биологических аспектов;

• непрерывность физиологических процессов образования продукции, с одной стороны, и периодичность ее получения, с другой стороны, что существенно влияет на характер производственного цикла;

• невозможность даже временной остановки процесса производства, так как это приводит к снижению продуктивности птицы или к ее гибели;

• невозможность интенсификации и увеличения выпуска продукции за счет непосредственного ускорения темпов производства;

• наличие агрессивных сред в птицеводческих помещениях;

• большой объем информации, высокая степень неопределенности, наличие относительно нестабильных входных воздействий и возмущений.

Перечисленные особенности функционирования промышленного птичника позволили нам сделать вывод о том, что повышение эффективности получения продукции возможно лишь при приспосабливании технологических процессов ко всему многообразию изменяющихся условий, обуславливаемых окружающей средой и биологическим состоянием птицы.

1.2. Особенности исследования биологических объектов в технике

Существующие в настоящее время приемы исследования биологических объектов [30, 62, 109] позволяют сделать вывод о том, что в данной области выработался и утвердился метод математического моделирования. При этом в математической модели биологических систем конструируется особый идеальный объект, заменяющий и представляющий реальный. Затем модель исследуется, результаты исследования переносятся на реальный объект и подвергаются всесторонней проверке путем специальных контрольных экспериментов.

Исследования любой биологической системы на современном уровне развития науки является в основном индуктивным и состоит из нескольких этапов [116, 130].

Первый этап - постановка задачи, в которую входит определение объекта исследования, перечисление конкретных параметров биосистемы, подлежащих исследованию, определение цели исследования, анализ динамики параметров, выявление взаимосвязи между ними, определение входных воздействий.

На втором этапе предусматривается планирование эксперимента, определяются режимы изменения входных сигналов, выбирается комплекс технической аппаратуры.

На третьем этапе проводится серия пробных опытов для отработки методики, проверки допустимости сделанных упроще-

ний.

Четвертый этап предусматривает проведение основной серии экспериментов.

При исследовании биосистем их подразделяют по уровню организации на следующие классы:

1) детерминированные;

2) квазидетерминированные;

3) вероятностные.

К вероятностным относятся биосистемы, определяющие сложные взаимодействия между сигналами окружающей среды и реакциями организма. Адекватным математическим аппаратом для моделирования таких биосистем является теория детерминированных и случайных сред, теория марковских и случайных процессов, и эвристическое программирование. Изучаемый нами объект - промышленное стадо кур-несушек - относится к вероятностным биосистемам. Таким образом, путь изучения биосистем и построение теории их функционирования прямо связан с построением математических моделей исследуемых биосистем.

1.3. Физико-химические свойства яйца

Куриное яйцо имеет сложное строение и состоит из трех основных частей - белка, желтка и скорлупы с подскорлупными оболочками. Весовое соотношение этих частей составляет в среднем 6:3:1. Скорлупа составляет около 10% от массы яйца и является естественной упаковкой, предохраняющей белок и желток от нарушений и порчи. Прочная неповрежденная скорлупа выполняет роль микробиологического барьера, сдерживает потерю влаги, способствует более продолжительному хранению яиц.

Скорлупа яиц имеет наружный (губчатый) и внутренний (со-сочковый) слои. Губчатый слой состоит из углекислого кальция, а сосочковый - из соединений магния и фосфора. Химический состав скорлупы представлен в таблице 1.1.

В среднем в скорлупе содержится сухого вещества 98,4%, в

том числе неорганических (минеральных) веществ - 95,1%, органических (белок) - 3,3%. Протеины - коллагеновые волокна, являются цементирующим основанием скорлупы. Надскорлупная пленка содержит небольшое количество белка типа муцина. Под-скорлупная оболочка состоит из протеинов, небольшого количества воды и минеральных веществ (в основном кальция). Зола скорлупы представлена главным образом кальцием.

Таблица 1.1

Химический состав скорлупы

Состав Доля от массы скорлупы, %

Вода 1,6

Сухие вещества 98,4

В составе сухих веществ: Белки 3,3

Липиды 2

углеводы -

Минеральные элементы 95,1

Основным дефектом скорлупы является так называемая мраморная скорлупа, имеющая пятнистый вид при просвечивании яйца. Образование мраморной скорлупы связано главным образом с неравномерным распределением минеральных и органических веществ по всей поверхности скорлупы. Качество и цвет скорлупы определяются при просвечивании и флюоресценции. Скорлупа определяет процессы теплообмена, газообмена (поглощение кислорода и выделение углекислого газа), а также водный обмен (испарение и поглощение влаги).

Подскорлупная оболочка выстилает внутреннюю поверхность скорлупы и состоит из наружного и внутреннего слоев. Наружный слой оболочки плотно прилегает к скорлупе, а внутренний -к наружному слою. Внутренний слой от наружного отделяется лишь у тупого конца яйца, в результате чего образуется воздушная камера. Подскорлупная оболочка служит дополнительным

барьером от проникновения бактерий в яйцо. Геометрические величины, которыми характеризуется нормальное куриное яйцо массой 58 г, представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Геометрические характеристики нормального куриного яйца

Поперечный (максимальный) диаметр, мм 42

Продольный диаметр, мм 57

Короткая окружность, мм 132

Длинная окружность, мм 157

Площадь поверхности, см2 68

Объем,см3 53,5

Контуры такого яйца и дополнительные размеры (в см), представлены на рисунке 1.1. Средние размеры яиц разных видов птицы с обычными границами колебаний представлены в таблице 1.3. Как правило, колебания поперечного диаметра яиц составляют 12% - 14% от среднего, а продольного 13% - 16%.

Таблица 1.3

Размеры яиц

Вид птицы Поперечный диаметр, мм Продольный диаметр, мм

в среднем колебания в среднем колебания

куры 42 37-47 57 49-64

Площадь поверхности скорлупы яйца Б приблизительно может �