автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование технологии машинного доения коров с разработкой доильного аппарата с управляемой стимуляцией



Рязанская государственная сельскохозяйственная академия имени nootbeccopa П.А. Костычева

На правах рукописи

УТОПИИ Владимир Валентинович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ МАШИННОГО ДОЕНИЯ КОРОВ С РАЗРАБОТКОЙ ДОИЛЬНОГО АППАРАТА С УПРАВЛЯЕМОЙ СТИМУЛЯЦИЕЙ

Специальность 05.20.01 -механизация сельскохозяйственного производства

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

- заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор В.Ф. Некрашевич

- доктор технических наук, профессор A.A. Курочкин

Рязань -1999

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............................7

1.1. Основные физиологические требования к машинному доению коров........ 7

1.2. Эффективность применения доильного оборудования................................11

1.3. Анализ способов машинного доения коров..................................................14

1.4. Анализ конструкций доильных аппаратов...................................................17

1.5. Анализ теоретических исследований по обоснованию процесса молоковы-ведения и параметров доильных аппаратов.....................................................26

1.6. Постановка проблемы, цель работы и задачи исследования.......................33

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ОБОСНОВАНИЮ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МОДЕРНИЗИРОВАННОГО ДОИЛЪНОГО^АШТАРАТА...........36

2.1. Конструктивно-технологическая схема и физическая сущность работы модернизированного доильного аппарата............................................................36

2.2. Теоретическое обоснование устройства отключения высокочастотной стимулирующей части пульсатора при доении в ведра........................................43

2.3. Теоретическое обоснование устройства отключения стимулирующего пульсатора при доении в молокопровод..................................................................53

Выводы..................................................................................................................58

3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАБОТЫ ДОИЛЬНОГО АППАРАТА С УПРАВЛЯЕМОЙ СТИМУЛЯЦИЕЙ....................................59

3.1. Программа лабораторных исследований......................................................59

3.2. Методика лабораторных исследований.......................................................59

3.2.1. Экспериментальная установка................................................................... 59

3.2.2. Методика определения пропускной способности модернизированного доильного аппарата...............................................................................................65

3.2.3. Методика исследования работы доильного аппарата с управляемой стимуляцией ...........................................................................................................67

3.3. Методика сравнения теоретических и экспеоиментальных исследований процесса выведения молока усовершенствованным доильным аппаратом ... 77

3.4. Результаты лабораторных исследований......................................................78

3.4.1. Результаты лабораторных исследований по определению пропускной способности доильных аппаратов..........................................................................78

3.4.2. Результаты лабораторных исследований по определению времени работы стимулирующего пульсатора............................................................................80

3.4.3. Результаты сравнения теоретических и экспериментальных исследований ...................................................................................................! 84

Выводы..................................................................................................................87

4. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДОИЛЬНОГО АППАРАТА........88

4.1. Программа и методика производственных испытаний................................88

4.2. Результаты сравнительных производственных испытаний.........................92

Выводы..................................................................................................................96

5. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ДОИЛЬНОГО АППАРАТА С УПРАВЛЯЕМОЙ СТИМУЛЯЦИЕЙ...............................................................98

5.1. Внедрение результатов исследований...........................................................98

5.2. Экономическая эффективность применения доильного аппарата с управляемой стимуляцией...............................................................................................99

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ........................ 103

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................. 106

ПРИЛОЖЕНИЯ

114

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных вопросов в решении проблемы механизации и автоматизации молочного животноводства остается машинное доение коров, на которое приходится 40...65% всех трудовых затрат по обслуживанию и уходу за животными [ 1 ].

Опыт ведения животноводства на промышленной основе показывает, что при интенсивной технологии эксплуатации поголовья возникает ряд трудностей, связанных с машинным доением коров, решение которых будет базироваться на совершенствовании доильных аппаратов и режимов их работы.

Применяемые доильные установки обычно состоят из нескольких технологических систем, вакуумной, молочной, промывки и дезинфекции, дозирования и раздачи концентрированных кормов. Наибольшее значение для работы доильной установки имеет ее вакуумная система, так как существующие доильные аппараты работают по принципу отсоса молока из вымени животного при действии на его соски пониженного давления. Однако, сравнивая машинное доение с ручным, следует отметить, что производительность доярок выросла лишь на 30...35% [2].

Проведенные исследования отечественными и зарубежными учеными [ 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ] показывают, что производительность труда оператора доильных установок пропорциональна объему ручных затрат. Исключение или сокращение некоторых ручных операций позволяет улучшить организацию и повысить производительность труда при машинном доении [ 12 ].

Одним из резервов снижения затрат труда при производстве молока является повышение уровня механизации доения коров на основе совершенствовав ния существующих и создания новых доильных аппаратов, осуществляющих быстрое и полное выдаивание животных [ 13 ]. Большое влияние на молокоот-дачу животного оказывает величина рабочего вакуума и его колебания в процессе работы доильного аппарата. На основании многочисленных исследований

ученых в области механизации доения коров установлена определенная величина вакуума [14. 15. 16. 17. 18]. которая составляет 48...50 КПа. Вопрос о допустимой величине колебаний вакуума в процессе доения коров остается спорным. Некоторые ученые описывают процесс "баллонизации" сосковой резины, который возникает из-за колебаний вакуума и ведет к наползанию стаканов на соски вымени животного и преждевременному прекращению молокоотдачи [ 19, 20 ].

Одним из важных факторов повышения молочной продуктивности, наряду с высоким генетическим потенциалом животных и сбалансированным кормлением, является физиологически обоснованное безвредное со щадящим режимом машинное доение коров [ 21 ].

Для более эффективного доения применяют стимуляцию секреторной деятельности молочной железы, что способствует повышению продуктивности животных. При применении машинного доения необходимо, чтобы доильный аппарат отвечал не только техническим, но и физиологическим требованиям [11,14].

Доильный аппарат в процессе доения должен выводить молоко, а также стимулировать и поддерживать рефлекс молокоотдачи [ 13 ]. Существующие серийные доильные аппараты не в полной мере выполняют вышеуказанные функции из-за несовершенствования конструкции.

Раздражение рецепторов молочной железы серийными доильными аппаратами неэффективно, и поэтому рефлекс молокоотдачи проявляется слабо. Кроме того, время стимулирования не совпадает с латентным периодом животного. Во время интенсивной молокоотдачи применяемые доильные аппараты не обеспечивают нужной производительности, что приводит к увеличению времени доения. При увеличении времени доения животное не успевает выдаиваться, развивается торможение рефлекса молокоотдачи, сфинктер соска закрывается при еще не полностью выдоенном вымени, что приводит к преждевременному запуску животных.

Для более эффективного доения животных необходимо создание доильного аппарата, который проводит эффективную стимуляцию во время латентного периода и обеспечивает высокую производительность в активный период рефлекса молокоотдачи.

В связи с изложенным выше, целью настоящей диссертационной работы является повышение эффективности машинного доения коров путем разработки доильного аппарата с автоматическим управлением стимуляции рефлекса молокоотдачи животного за счет микроколебаний сосковой резины и обоснование параметров и режимов его работы.

Народнохозяйственное значение разработанного доильного аппарата заключается в сокращении времени доения, повышении полноты выдаивания коров, а также в снижении затрат труда на ручные операции.

В данной работе проанализированы существующие доильные аппараты, отмечены их преимущества и недостатки, а также рассмотрено взаимодействие молочной и вакуумной систем доильных установок.

Предложен модернизированный доильный аппарат.

Приведены результаты теоретических исследований модернизированного доильного аппарата.

Приведены результаты лабораторных и производственных сравнительных испытаний модернизированного доильного аппарата с серийным АДУ-Ю4.

На защиту выносится:

- конструктивно-технологическая схема разработанного доильного аппарата с автоматическим режимом работы;

- математическая модель, обосновывающая конструктивные параметры разработанного доильного аппарата;

- оптимальные режимы работы разработанного доильного аппарата;

- результаты проверки работы модернизированного доильного аппарата в производственных условиях и его экономические показатели.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Основные физиологические требования к машинному доению коров

При применении машинного доения коров основным критерием соответствия доильного аппарата физиологии молокоотдачи является полноценный рефлекс молокоотдачи. Молоковыведение у коров осуществляется рефлекторным путем и представляет собой сложный нейрогуморальный процесс [ 15, 16].

В молочной железе возможно выделить две порции молока: цистеральное и альвеолярное. Процессы выведения цистерального и альвеолярного молока существенно отличаются. Для того, чтобы вывести цистеральное молоко, необходимо преодолеть сопротивление сфинктера соска, а альвеолярное молоко возможно вывести только путем возбуждения рефлекса молокоотдачи. Рефлекс молокоотдачи можно вызвать при раздражении рецегггорных полей молочной железы.

Рефлекс молокоотдачи представляет собой сложный акт. Он включает в себя комплекс двигательных реакций молочной железы: происходит расслабление сфинктера соска и изменение гладкой мускулатуры протоков и цистерны молочной железы, затем изменение тонуса кровеносных сосудов и наконец сокращение миоэпитальных клеток [ 17 ]. Важным показателем процесса молокоотдачи является его латентный период. Он характеризует степень готовности коровы к отдаче молока. Латентным периодом называется промежуток времени от начала подготовительных операций при доении до появления ответной реакции. Латентный период по мнению многих ученых [ 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27] является необходимым промежутком времени от начала стимуляции до начала доения.

Во время латентного периода происходит движение гормона окситоцина к альвеолам, вызывая сокращения звездчатых мышечных клеток и вытеснение альвеолярного молока в цистерну.

Существующая технология машинного доения в основном учитывает особенности выведения молока из вымени, но исполнительный механизм (доильный стакан) в большинстве случаев не вызывает самостоятельно рефлекс молокоотдачи и не поддерживает его. Доильный аппарат кроме функции моло-ковыведения при определенных условиях оказывает тормозящее действие на рефлекс молокоотдачи [ 28, 29, 30]. Это объясняется тем, что акт сосания доильного аппарата существенно отличается от акта сосания теленка [ 31, 32]. Для выведения молока в ротовой полости теленка используется как положительное давление на соски вымени, так и отрицательное давление при высасывании. При машинном доении очень важно качественно проводить подготовительные операции, целью которых является вызов полноценного рефлекса молокоотдачи. Большое значение оказывает величина разряжения в подсосковых камерах доильных стаканов. По этому вопросу мнения большинства ученых совпадают.

Так, например, немецкие физиологи Н. Mielke и I. Schulz считают, что величина используемого при доении коров вакуума аргументируется двумя основными требованиями: достаточно высокой отсасывающей способностью доильного аппарата и возможностью надежного удержания доильных стаканов на сосках вымени животного. По их мнению, низкий вакуум не позволяет быстро выдаивать животное, что в конечном итоге приводит к торможению рефлекса молокоотдачи у него из-за болевых ощущений [ 33 ].

Достаточно быстрое выдаивание животного обеспечивается соответствующей выводной системой соска, основную роль в которой играет запирающая мышца - сфинктер [ 34, 35, 36].

По данным Т.К. Городецкой [ 37 ], тонус сфинктера большинства коров в период между очередными выдаиваниями составляет около 40 КПа. При подмывании вымени теплой водой он уменьшается примерно в 2 раза, а в процессе доения животного - в 3...4 раза [ 37 ]. На основании этих данных В.Ф. Королев делает вывод о том, что для доения почти всех животных достаточной величиной вакуума следует считать 33...40 КПа [11].

Имеются данные о том, что высокий вакуум при работе доильного аппарата не оказывает существенного отрицательного воздействия на секрецию молока животными [ 37 ]. Н. Mielke и I. Schulz [ 38 ], ссылаясь на исследования других ученых, описывают попытку доения коров с вакуумом в подсосковой камере доильных стаканов, равный 66 КГТа. При такой величине вакуума интенсивность молокоотдачи была наибольшая, однако после доения на сосках вымени коров были обнаружены мелкие язвочки и раны, которые явились причиной заболевания молочной железы животных.

Американский ученый D.O. Noorlander [ 38 ] считает, что высокий вакуум при работе доильного аппарата вреден по двум причинам: во-первых, при большом перепаде давлений в межстенной и подсосковой камерах доильного стакана в такте сжатия сосковая резина создает эффект "хлопка", что приводит к повреждению как внешней поверхности соска, так и его выводной системы; во-вторых, это способствует наползанию доильных стаканов на соски и нарушению сообщения полости соска с выменем, что приводит к преждевременному прекращению молокоотдачи еще невыдоенного животного.

Вакуум доильных аппаратов, который в результате их неисправностей превышает 50 кПа, травмирует ткани сосков коровы и приводит к повышенному образованию лейкоцитов в крови животного, что свидетельствует об их заболевании маститом [ 40 ].

На основании многочисленных данных специалистов, работающих в области механизации доения коров, можно сделать вывод о гом, что рабочий вакуум доильных аппаратов должен находиться в пределах 46...50 кПа [ 41, 42, 43, 44, 45]. Что касается вопроса о допустимой величине колебаний вакуума в процессе доения коров, то здесь данные ученых и практиков более противоречивы. Обычно изменение вакуума в подсосковых камерах доильных стаканов представляв! большую опасность здоровью животных, чем то же явление в межстенных камерах. Изучая причины этого противоречия, ученые пришли к выводу, что колебания могут быть циклическими и связанными с работой пульсато-

ра и случайными. Последние имеют целый ряд причин и порой не только труд-ноустраняемых, но и труднопрогнозируемых.

Исследования, проведенные Н. \¥оп81опГй>т и Н. 81ате1ет [ 46 ] показывают, что падение вакуума в подсосковой камере доильного стакана существенно зависит от скорости молокоотдачи коровы и в момент ее максимального значения может превышать номинальный уровень в 1,5...2 раза. Наряду с этим вакуум в доильном аппарате резко меняется в том случае, если у соседнего с выдаиваемым животным производится снятие или надевание доильных аппаратов. Недостаточный запас производительности вакуумного насоса или неисправности вакуумного регулятора в этом случае существенно ухудшает вакуумный режим доильного аппарата [ 47 ].

В литературе имеется описание так называемого эффекта "баллонизации", когда из-за колебаний вакуума в подсосковой и межстенной камерах доильного стакана сосковая резина в такте сосания увеличивается в диаметре, что приводит к наползанию стаканов на соски вымени животного и преждевременно прекращает его молокоотдачу [ 47, 48 ].

При осуществлении процесса машинного доения коров происходит реализация двух взаимообусловленных процессов: молоковыделения и молоковыве-дения. Первый процесс обусловлен реакцией молочной железы вымени коровы на стимулирующие преддоильные и доильные воздействия, при которых она активно припускает и отдает молоко, отвечая интенсивной молокоотдачей. Второй процесс обусловлен поступлением молока �