Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

 

На  правах  рукописи

УЬЯНОВ ВЯЧЕСЛАВ  МИХАЙЛОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МАШИННОГО  ДОЕНИЯ КОРОВ ПУТЕМ РАЗРАБОТКИ СТИМУЛИРУЮЩЕ-АДАПТИРОВАННЫХ ДОИЛЬНЫХ АППАРАТОВ И МАНИПУЛЯТОРОВ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.20.01 - ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА

МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Автореферат диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Рязань 2008

Работа выполнена на кафедре механизации животноводства Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Рязанская государственная сельскохозяйственная академия имени П.А. Костычева.

Научный консультант:  заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор,

Некрашевич Владимир Федорович

Официальные оппоненты:  заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических  наук,  профессор,

Карташов  Лев Петрович

доктор технических  наук,  профессор,

Курочкин Анатолий Алексеевич

  доктор технических  наук,  профессор,

  Краснов Иван Николаевич

Ведущая организация Ц Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации животноводства (ГНУ ВНИИМЖ)

  Защита состоится л 14    октября 2008 г., в часов на заседании диссертационного совета Д 220.057.02 при ФГОУ ВПО Рязанская государственная сельскохозяйственная академия имени П.А. Костычева по адресу: 390044, г. Рязань, ул.  Костычева, д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Рязанская государственная сельскохозяйственная академия имени П.А. Костычева

Автореферат разослан л ЕЕЕЕ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета  А.В. Шемякин

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Обеспечение потребностей населения в качественных продуктах питания отечественного производства, при одновременном снижении доли импортных является одной из конечных целей Приоритетного национального проекта УРазвитие АПКФ. Большая роль в решении этой задачи отводится молоку производство  которого необходимо поднять не менее чем в 1,5 раза. Важной составляющей проекта является модернизация технологий, в том числе совершенствование процесса доения, на который приходится более 40% всех трудовых затрат по обслуживанию и уходу за животными.

Привязный способ содержания коров является преобладающим, несмотря на то, что он наиболее затратный. Учитывая, что для массового перевода скота на беспривязное содержание требуются определенные условия, и прежде всего строительство новых и реконструкция старых помещений ферм, можно считать, что в ближайшие годы привязный способ содержания животных останется основным. Применяемая при этом способе технология машинного доения требует больших затрат труда, так как операции по подготовке вымени животного, контроль за доением, а также заключительные операции машинное додаивание и снятие доильного аппарата выполняются вручную. Кроме того, качество проведения ручных операций во многом зависит от квалификации оператора и его отношения к труду. Часто наблюдаются передержки доильных аппаратов на вымени выдоившихся животных, что приводит к стрессам, тормозится рефлекс молокоотдачи, что ведет к снижению продуктивности. Исключение человеческого фактора, обеспечение адекватной реакции организма коровы на машину на всех стадиях доения и полное опорожнение вымени будет способствовать росту удоев, увеличит срок использования животных, улучшит воспроизводство стада и создаст условия для роста генетического потенциала. Поэтому эффективное ведение хозяйства на современном этапе немыслимо без оснащения молокопроизводящих предприятий совершенной доильной техникой.

Современная доильная техника должна быть высокопроизводительной. Увеличение числа аппаратов, с которыми одновременно работает оператор, ведет к повышению его производительности, но труд становится интенсивный. Оператор из-за своей занятности не успевает во время обслуживать коров в соответствии с физиологическими требованиями. В условиях промышленного стада, когда время доения коров колеблется в значительных пределах, практически невозможно избавиться от простоев или передержек доильных аппаратов на вымени выдоившихся коров. Варьирование длительности молокоотдачи является причиной холостого доения, которое можно устранить путем обеспечения доильного аппарата устройством автоматического его снятия с вымени по завершению доения.

Доильный аппарат должен быть физиологически адаптированным к организму животного, обеспечивая полный вывод молока. Серийные доильные аппараты не в полной мере выполняют вышеуказанные функции. В связи с наползанием стаканов к основаниям сосков оператору приходится проводить машинное додаивание, составляющее до 35 % затрат труда от технологических операций машинного доения. Иначе происходит систематическое недодаивание 6Е8 % общего удоя молока с жирностью 10Е16% и преждевременный уход коров в запуск.

Наиболее рациональным направлением совершенствования привязного содержания животных при доении на линейных установках с молокопроводом является комплектование их переносными доильными аппаратами, содержащими в своей конструкции устройства для слежения за процессом доения и своевременного снятия доильных стаканов с вымени животного по завершению процесса молокоотдачи.

Исследования проводились в соответствии с планом НИР ФГОУ ВПО УРязанская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора П.А. КостычеваФ 1997Е2007 гг. Договорной работой с управлением сельского хозяйства и продовольствия Рязанской области 2006 г.

Цель работы. Повышение эффективности процесса производства молока при привязном содержании коров путем совершенствования технологии и технических средств машинного доения.

  Задачи  исследования

1. Исследовать физико-механические характеристики сосков вымени коровы.

2. Определить направление совершенствования стандартной технологии машинного доения коров

3. Разработать аналитическую модель извлечения молока вакуумным доильным аппаратом из вымени коровы, теорию силового взаимодействия подвесной части доильного аппарата с выменем и произвести их анализ. 

4. На основании теоретических моделей разработать конструктивно-технологические схемы и технические средства, включающие доильные аппараты и манипуляторы, обеспечивающие реализацию усовершенствованной технологии машинного доения коров.

5. Обосновать конструктивно-режимные параметры  разработанных доильных аппаратов и выявить оптимально-рациональные режимы их работы для реализации усовершенствованной технологии машинного доения коров.

6.  Произвести проверку технических средств, реализующих усовершенствованную технологию машинного доения в производственных условиях и определить экономическую эффективность результатов исследований.

  Объект  исследования. Технологический процесс доения коров аппаратом.

  Предмет исследования. Закономерности процесса доения коров и взаимосвязи конструктивно-режимных параметров технических средств извлечения молока.

  Методика  исследования. Системный анализ, принципы единства теории и практики. Теоретические исследования выполнялись с использованием положений и методов  классической механики, математики, гидравлики и математического моделирования.  Экспериментальные исследования в  лабораторных  условиях для определения конструктивных и технологических параметров технических средств извлечения молока с применением как общепринятых методик, так и частных. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялось с использованием методов теории их планирования, математической  статистики  с применением  современного  программного обеспечения и компьютерной  техники.  Достоверность выполненной работы подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведением сравнительных производственных исследований.

Научная  новизна.  Научную  новизну  работы  составляют:

- показатели физико-механических характеристик сосков вымени коровы;

- усовершенствованная технология машинного доения;

- определение доли животных стада подверженных передержкам на вымени доильных аппаратов от числа их у оператора;

- теоретические основы выведения молока вакуумным доильным аппаратом и изменения параметров сосков при этом; 

- конструктивно-технологические схемы стимулирующе-адаптированных доильных аппаратов и манипуляторов, реализующих усовершенствованную технологию доения коров;

0. теоретические положения по обоснованию коструктивно-режимных параметров разработанных доильных аппаратов и манипуляторов;
1. оптимальные параметры стимулирующе-адаптированных доильных аппаратов и манипуляторов, режимы их работы;
2. результаты производственной проверки усовершенствованной технологии доения и разработанных доильных аппаратов и манипуляторов.

  Практическую ценность имеют предложенные на основании теоретических разработок конструктивно-технологические схемы доильных аппаратов и манипуляторов, режимы их работы обеспечивающие сокращение затрат труда и повышение производительности дояра, повышение продуктивности коров и снижение заболеваемости вымени. Предложены зависимости оценки уровня передержек доильных аппаратов и производительности оператора от числа одновременно обслуживающих аппаратов.

Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО Рязанская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора П. А. Костычева (г. Рязань, 1997Е2007 гг.); на Х Международном симпозиуме по машинному доению сельскохозяйственных животных, первичной обработке и переработке молока (г. Переславль-Залеский, 2000 г.); на межвузовской научно-практической конференции в ФГОУ  ВПО УКостромская ГСХАФ (г. Кострома, 2000 г.); на научно-практической конференции посвященной 50-летию инженерного факультета Пензенской ГСХА (г. Пенза, 2002 г.); на Всероссийской научно-практической конференции в ФГОУ ВПО УУльяновская ГСХАФ (г. Ульяновск, 2003 г.); на Международной научно-практической конференции ФГОУ ВПО Саратовский госу-дарственный аграрный университет имени Н. И. Вавилова (г. Саратов, 2006 г.); на Международной научно-практической конференции в ГНУ ВНИИМЖ (пос. Знамя Октября, Подольский р-он, Московской области, 2006Е2007 г.); на Международной научно-практической конференции Роль молодых ученых в реализации национального проекта "Развитие АПК" ФГОУ ВПО Московский государствен-ный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина (г. Москва, 2007 г); на 6-й Международной научно-технической конференции (г. Москва, ГНУ ВИЭСХ, 2008 г).

  Реализация результатов исследования. Выпущена опытная серия переносных доильных аппаратов с манипуляторами. Разработанные доильные аппараты и манипуляторы внедрены в ряде хозяйств Рязанской области. Результаты исследований нашли отражение в монографии и внедрены в учебном процессе аграрных высших учебных заведениях. Технические средства доения демонстрировались на Международном салоне инноваций и инвестиций (2005Е2006 гг.), Международной сельскохозяйственной выставке УЗолотая осеньФ (2006 г.). На V Международном салоне инноваций и инвестиций доильный аппарат с манипулятором удостоен бронзовой медали. Усовершенствованная технология с применением раз- работанных новых технических средств рекомендована к использованию и вошла в программу развития агропромышленного комплекса Рязанской области на 2008Е2012гг. Результаты экспериментально-теоретических исследований по проектированию доильных аппаратов и манипуляторов переданы в ГНУ ВНИИМЖ. Техническая документация на доильные аппараты с манипулятором и с изменяющейся нагрузкой на четверти вымени передана ОАО УРяжский авторемонтный заводФ, Рязанское УПП ВОС и заложена в фонды Рязанского ЦНТИ. 

Защищаемые положения:

  На защиту выносится:

- показатели физико-механических характеристик сосков вымени коровы;

- усовершенствованная технология машинного доения;

- математические зависимости определения вероятности передержек на вымени выдоившихся коров доильных аппаратов от их числа у оператора;

- теоретические основы выведения молока вакуумным доильным аппаратом; 

- конструктивно-технологические схемы стимулирующе-адаптированных доильных аппаратов и манипуляторов;

3. теоретические положения по обоснованию коструктивно-режимных параметров разработанных доильных аппаратов и манипуляторов;
4. оптимальные параметры разработанных доильных аппаратов и манипуляторов, режимы их работы;
5. результаты производственной проверки технологии доения и разработанных технических средств извлечения молока у коров.

  Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 58 изданиях,  в том числе в научной монографии, 15 патентах РФ на изобретения.

  Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из реферата, введения, шести разделов, выводов, списка использованной литературы, включающего 190 наименований, приложений. Работа изложена на страницах машинописного текста, из которых основной текст содержит страницы.

Содержание работы

Введение. Обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и ее народнохозяйственное значение. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе Состояние проблемы машинного доения коров дан обзор и анализ состояния исследуемой проблемы, изложены основные физиологические требования к машинному доению коров, а также выполнен анализ результатов научных исследований в этом направлении.

  Применение существующей технологии доения коров при привязном содержании и доильных аппаратов не позволяет полностью механизировать процесс машинного доения, а также не всегда учитывает физиологические особенности коровы. Биологическим показателем реакции животных на возникающие неблагоприятные условия внешней среды является снижение молочной продуктивности коров и увеличение продолжительности их доения. Исследованию процесса машинного доения и разработке доильной технике посвящены труды А. А. Аверкаева, Е.И.  Админа, Е.М. Асманкина,  К.У. Базанова, И.А. Барышникова, Э.К. Вальдмана, М.Л. Гордиевских, Т.К. Городецкой, Л.П. Карташова, В.И. Квашенникова, Э. А. Келписа, В.В. Кирсанова, Э.П. Кокориной, В.Ф. Королева, И.Н. Краснова, А.Е. Кузьмина, А.А. Курочкина, З.В. Макаровской, В.С. Мкртумяна, Ю. М. Огнева, П.И. Огородникова, Н.А. Петухова, В.М. Побединского, Н.П. Проничева, В.П. Саврана, С.А. Соловьева, А.Г. Тараненко, А.И. Фененко,  Ю.А. Цоя  и целого ряда других авторов. Анализ научных работ показывает, что теория молоковыведения признаёт  несовершенство стандартной технологии, анализирует причины и факторы, определяющие её несоответствие физиологическим потребностям животных, слабое стимулирование рефлекса молокоотдачи и неполное выдаивание коров без применения ручного труда. Без решения этих вопросов нельзя кардинально усовершенствовать технологию и разработать технические средства доения, обеспечивающие повышение эффективности производства молока.

В связи с этим была сформулирована цель диссертационной работы и поставлены задачи исследований.

Во втором разделе Стандартная технология  машинного доения  при привязном содержании и пути ее совершенствования проанализированы операции, выполняемые по стандартной технологии доения коров при привязном содержании. Выявлена взаимосвязь между повышением производительности труда оператора за счет увеличения числа доильных аппаратов и вероятностью их передержек на вымени выдоившихся коров. Намечены пути совершенствования технологии доения коров при привязном содержании коров.

Производительность труда оператора на доильной установке зависят от числа аппаратов, с которыми одновременно он работает. При ручном доении дояр все время занят одной коровой, пока не выдоит ее. При машинном доении он имеет возможность, пока доится одна корова, подготовить еще несколько животных и подключить к ним аппараты. Производительность дояра будет

, (1)

где n число доильных аппаратов у дояра; , соответственно продолжительность машинного доения и ручного труда на подготовительно-заключительные операции при доении одной коров; коэффициент учитывающий затраты времени на переходы, варьирование машинного выдаивания коров и прочее.

На рисунке 1 представлены теоретические зависимости (=1) производительности дояра от числа обслуживающих им аппаратов при различных значениях средней про-должительности машинного доения. Продолжительность ручных опера-ций, затрачиваемых на корову, при-нята постоянной мин. Произ-водительность дояра растет с увели- Рисунок 1 Зависимость производительности дояра чением числа доильных аппаратов,  Q  от числа аппаратов n: ; ;  с  которыми он одновременно рабо-

;  4 экспериментальная кривая тает.  При  стандартной технологии привязного содержания с доением в молокопровод оператор работает обычно с тремя, реже с четырьмя аппаратами. Тогда при средней продолжительности машинного  доения  одной  коровы 6 минут его производительность соответственно колеблется от 22,5 до 30 гол/ч. Зависимость 4, построенная по обобщенным экспериментальным результатам различных исследователей, указывает на то, что в формуле (2) коэффициент имеет значения меньше нуля. Увеличение числа доильных аппаратов, приходящихся на оператора ограничено, так как с их ростом дояр не будет успевать выполнять операции в соответствии с правилами машинного доения. Сдерживающий фактор холостое доение,  возникающее при передержках аппаратов на вымени  выдоившихся коров, что ведет к снижению  удоев и заболеванию мастистом.

Оптимальное число доильных аппаратов следует определять по формуле:

  (2)

где  k1 коэффициент, учитывающий степень загрузки оператора при доении.

На наш взгляд,  для эффективного работы дояра следует иметь степень загрузки оператора k1 = 0,85Е0,9, так как на практике при привязном содержании коров и доении в молокопровод данный показатель не превышает 0,7. Для выполнения этого условия необходима более совершенная технология доения коров.

Правильный выбор числа доильных аппаратов, с которыми одновременно может работать оператор, важен, но сделать это крайне сложно. Продолжительность затрат ручного труда на доильной установке зависит от физиологических требований к процессу доения и при расчете ее можно принять постоянной величиной. Возникает вопрос, что брать за время машинного доения коров . Продолжительность машинного доения у коров в группе различна. При использовании среднего значения продолжительности машинного доения коров в группе, будут возникать как передержки аппаратов на вымени, так и простои операторов, что подтверждается практикой.

Допустим, что молокоотдача прекратилась одновременно у нескольких коров в группе, обслуживаемой дояром. В виду того, что оператор одновременно работает с n доильными аппаратами и количество одновременно доящихся коров равно их числу, то дояр не будет успевать их вовремя обслуживать. Поэтому продолжительность  передержек аппаратов на вымени выдоившихся коров и соответственно длительность холостого доения можно оценить разностью:

  (2)

где продолжительность машинного выдаивания i-коровы.

Очевидно, если , то происходит холостое доение у i-коровы. Неравенство будет выполняться,  если  продолжительность  машинного  доения i-коровы

<,  где среднее время машинного доения коров в группе. Преобразование

выражения (2) приводит к формуле:

  (3)

где  Р доля коров в  стаде, подверженная холостому доению, ; N, соответственно общее число коров в группе и подверженных сухому доению, гол.

       Формула (3) справедлива при n>1(так как при одном доильном аппарате передержка на вымени невозможна)  и  позволяет приближенно оценивать реальную

долю коров в группе, обслуживаемых дояром, подверженных холостому доению от числа доильных аппаратов, с которыми одновременно он может работать.

Так по существующей технологии привязного содержания с доением в стойловый молокопровод холостому доению будут подвержены до 33% коров стада  (рис. 2), если оператор одновременно работает с тремя аппаратами. Заметим это лишь приближенные данные, но весьма наглядно раскрывающие суть проблемы.

  Попытка повысить производительность Рисунок 2 Зависимость доли коров в группе труда  за счет числа доильных аппаратов подверженных холостому доению от количества  приводит  к  увеличению количества 

доильных аппаратов у оператора  коров подверженных холостому доению.

  Одновременно с  передержками  доильных аппаратов  на вымени одних коров группы, оператор при обслуживании  части  животных стада имеет простои. Эта противоречивость является следствием изменения длительности молокоотдачи у коров, что отмечается многими исследователями. Основным путем исключения передержек является то, что сразу после выдаивания коровы необходимо снимать доильный аппарат с вымени.

При разработке совершенных техни-ческих средств доения коров (рис. 3) основ-ным кринтерием является соответствие разра-батываемого оборудования физиологии жи-вотного.

Созндание доильного аппарата, способного вызывать рефлекс молокоотдачи, поддерживать его на необходимом уровне и обеспечивать чистое извлечение молока из вымени без проведения опенрации машинного додаивания это основная задача. При совер-шенствовании доильной техники следует обращать на то, что она  должна исключать  негативные причины, связанные с дояром и влияющие на эффективность выдаивания коров. Поэтому необходимы автоматизирован- Рисунок 3 Схема совершенствования  ные доильные аппараты, позволяющие  выпол-

процесса машинного доения  нять вместо дояра ряд операций: слежение за доением, своевременное отключение аппарата и его снятие с вымени после доения.  Это не только повышает производительность труда операторов и снижает трудоемкость извлечения молока у коров, но что не мало важно, исключает передержки аппарата на вымени и связанное с ними Ухолостое доениеФ и снижает вероятность возникновения мастита у коров. 

Анализируя возможности сокращения продолжительности технологических операций, можно сказать, что, исключив из технологии только машинное додаивание с обеспечением полного выдаивания коров и выполнив автоматическое снятие подвесной части доильного аппарата, можно  сократить ручные операции на 20Е40 с. При  разработке аппарата стимулирующего рефлекс молокоотдачи дополнительно сокращается до 20 с ручного труда. Это позволит довести продолжительность ручных операций, затрачиваемых дояром на корову до 1,2Е1,4 минут. Тогда оптимальное число доильных аппаратов при среднем времени машинного выдаивания коров 5Е7 минут составит 4Е5 на оператора.  Это повысит производительность оператора в 1,25Е1,4 раза и позволит выдаивать 30Е35 и более коров в час.

В третьем разделе Теоретические основы  создания технических средств доения представлены теоретические предпосылки создания технических средств извлечения молока, позволяющих усовершенствовать технологию доения коров при привязном содержании. Предложены теоретические модели извлечения молока из вымени коров вакуумным доильным аппаратом и удлинения сосков при доении. Рассмотрено взаимодействие доильного стакана с соском. Приведены конструкции стимулирующе-адаптированных доильных аппаратов и манипуляторов. Представлены схемы исполнительных механизмов доильного аппарата, а также аналитические зависимости для расчета конструктивно-режимных параметров технических средств извлечения молока.

Процесс выведения молока из вымени коровы вакуумным доильным аппаратом подчиняется общим правилам течения жидкостей. В момент открытия канала соска с наступлением такта сосания скорость течения струи минимальная, а давление молока на стенки соска максимальное. С увеличением скорости течения струи давление соответственно уменьшается, поскольку потенциальная энергия струи переходит в кинетическую. Скорость увеличивается до тех пор, пока давление струи уравновесится давлением, препятствующим открытию канала соска. Из-за пульсирующего вакуума с наступлением такта сжатия вытекание молока прерывается. Наблюдается неустановившееся движение молока. Допустим, что сосок вымени имеет цилиндрическую форму с постоянным внутренним сечением F, а заканчивается сосок молоковыводящим каналом с сечение f. Предположим, что молоко из соска выводится так же, как жидкость истекает через насадок. Применим уравнение Бернулли для неустановившегося движения молока. Сечение 11 (рис. 4) выберем по началу цистерны соска, а сечение 33 по обрезу конца.

Рисунок 4 Схема к определению скорости струи молока

Для выбранных сечений имеем:

, (1)

где  , средние  скорости молока  в  сечениях  1-1 и  3-3, м/с;, давление молока в сечениях 1-1 и 3-3, Па; высота молочного столба между сечениями, м; плотность молока кг/м3; g ускорение свободного падения, ; частная производная изменения скорости молока, м/с2; dh изменение высоты перемещаемого молока, м; потери напора при движении молока по соску, м.

После преобразований уравнения (1) приводится к виду:

, (2)

где    и .

Интегрируя выражение (2), получаем:

(3)

Теоретически при стремление времени t движение молока на выходе из соска приближается к установившемуся, со скоростью . После замены постоянных а и  b в формуле (4) их значениями с учетом вышесказанного получим:

  (4)

В  действительности переходной режим длится очень ограниченный отрезок времени. Допустим, что длительность переходного режима течения молока в соске оценивается временем, в течение которого скорость меняется от 0 до 0,99.

Тогда продолжительность неустановившегося режима течения молока

  (5)

Приняв значения величин: , и подставив в формулу (5), получим с. В доильном аппарате при продолжительности цикла в 1 с, такт сосания = 0,6Е0,7 с, время неустановившегося движения потока молока в отдельно взятом такте сосания будет лишь 1,5 % от его продолжительности. Практически с преодолением сопротивления сфинктера и открытия молоковыводящего канала соска наступает установившееся движение. Поэтому для определения скорости истечения молока из соска вымени можно использовать формулу (4).

С учетом действующих сил в молоковыводящий  канале (рис. 4, выносной элемент А), выражение (4) примет вид:

  (6)

где , соответственно цистернальное давление молока, величина вакуума

под соском и значение тонуса сфинктера, Па; .А, l периметр и длина молоковыводящего канала, м.

Скорость выведения молока зависит от его давления в цистерне железы, вакуума в подсосковой камере доильного стакана, тонуса сфинктера выводного канала и от размеров соска. Зави-симость1 (рис. 5) построена по формуле (6). Кривая 2 по опытным данным при исследовании аппарата АДУ-1М на установке Уискусственное вымяФ, а 3 по  результатам реальной  дойки (разовый удой 8,5 кг). Зависимость 1 практически

копирует кривую 2. Однако реальная  Рисунок 5 Зависимости скоростиструи скорость молока  при выходе  из соска

молока от вакуума рв: 1 теоретическая;  значительно  ниже. Очевидно, что аппа- 2 экспериментальная; 3 фактическая рат вызывает при  доении торможение

рефлекса молокоотдачи. Чем ближе приближается кривая 3 к 1, тем лучше доильный аппарат адаптирован к организму животного и тем быстрее и полнее будет выдаиваться корова.

Соски вымени при доении значительно удлиняются, поэтому при проектировании доильной техники необходим закон изменения их размеров. Пусть сосок представляет полый цилиндр, на боковые контуры которого действуют нормальные давления и , а на торцевую площадь вакуум .  Выражение для определения кратности удлинения сосков будет:

                     

  . (7)

где упругая постоянная, ; E модуль упругости, Па; m коэффициент поперечной деформации; l начальная и конечная длина соска, м;  , соот-

ветственно начальный радиус наружный соска и его внутренней полости, м.

Так как  удлинение сосков , то длина соска будет .

На рисунке 6 приведены графические зависимости изменения длины сосков (l0 =60Е65 мм) при  доении  по  результатам разных исследовате-лей. Зависимость 1 построена на основании исследований В.Ф. Ко-ролева, 2 по опытным данным Н.И. Проничева; 3 по эмпиричес-кой формуле И.Н. Краснова, а кри-

  вая 4 по формуле (7).  Как  видно

  из графиков сходимость зависимо-

  сти 4 достаточна для использова-  Рисунок 6 Изменение длины l  соска вымени  ния результатов исследований при

при машинном доении от величины вакуума рв проектирования доильной техники.

Теоретическое обоснование доильного аппарата стимулирующего действия

Полноценный рефлекс молокоотдачи достигается правильностью проведения подгонтовительных операций перед доением. Особое значение при выдаивании молока из вымени доильным аппаратом приобретает массаж вымени. Он должен проводиться до момента припуска коровой молока. Анализ работ показал, что массаж вымени во время машинного доения может оказать отрицательное влияние на молочную железу. Многие исследователи предлагают процесс выведения молока из вымени коров разбить на отдельные стадии

по графику интенсивности молоко-отдачи. Так, исходя из сказанного, можно выделить три фазы  (рис. 7). 

Для каждой фазы выведения молока должен быть оптимальный режим

Рисунок 7 Основные режимы доения работы аппарата. После надевания 

  стаканов доильный  аппанрат должен в фазе А в течение 20...30 с проводить усиленные  маснсирующие  воздействия  на соски вымени. При возрастании интенсивности молокоотдачи до 0,45Е0,5 кг/мин, аппарат переходит в режим работы для фазы Б, т.е. происходит интенсивное выведение молока. При снижении молокоотдачи до 0,5Е0,4 кг/мин наступает фаза В машинное додаивание с заключительным массажем сосков вымени.

Нами  разработана конструкция доильного  аппарата  стимулирующего действия (рис. 8), работающего по рассмотренному режиму, новизна которого подтверждена патентом РФ на изобретение №2115304. Доильный аппарат с управляемой стимуляцией (далее ДАУС) имеет стаканны 1, коллектор 2, основной пульсатор 3, работающий с частотой 1 Гц, стимулинрующий пульсатор 4 функционирующий с частотой пульсаций 8Е10 Гц, молокосборник 5 с отключающим устройством 6 в виде ковша с клапаном.

  А. Б.

1 доильный стакан;  2 коллектор;  3 основной  пульсатор;  4 стимулирующий  пульсатор;

5 молокоприемник;  6 отключающее  устройство;  7 шланг;  8 клапан; 9 ковш  с  жиклером

Рисунок 8 Доильный аппарат с управляемой стимуляцией: принципиальная схема - А;

общий вид - Б

В доильном аппарате ДАУС в первоначальный и заключительный периоды доения основной и стимулирующий пульсаторы работают совместно. Из-за подачи стимулирующим пульсатором в межстенную камеру стаканов незначительных порций воздуха с частотой 8Е10 Гц при такте сосания, средняя величина вакуума в этой камере меньше чем в подсосковой. Поэтому наблюдается полусжатое состояние сосковой резины с микронколебаниями ее стенок с амплитудой 1..2 мм (рис. 9 А). Это позволяет массировать соски вымени до начала интенсивной молокоотдачи и по ее завершению, снижать наползание стаканов и вредное воздействие вакуума на соски.

  А. Б.

атмосферное давление; вакуум в подсосковой камере; изменение давления в межстенной камере; продолжительность такта сосания; продолжительность такта сжатия

Рисунок 9 Схема работы доильных стаканов и осциллограмма давлений в межстенных камерах доильных стаканов в начальной и заключительной стадии доения (А) и в основное время доение (Б)

При интенсивной молокоотдаче аппарат ДАУС переходит на двухтактный режим работы. Это позволяет за более короткое время извлекать основного количества молока. Сосковая резина в такте сосания не сжимает сфинктер соска и поэто-

му не затрудняет выведению молока (рис. 9 Б).

Время, затрачиваемое на подготовительные операции должно находиться в

пределах 45Е60 с. Поэтому все виды стимуляции молокоотдачи перед доением не должны превышать по длительности скрытого периода молокоотдачи.

Исходя из конструкции доильного аппарата ДАУС, время работы стимулирующего пульсатора t равна продолжительности , определяется наполнением ковша и при постоянных его геометрических размерах зависит от интенсивности  выведения молока и площади отверстия в ковше.

Рассмотрим действующие силы на систему ковшЦклапан (рис. 10).

Сумма моментов сил, действующих на систему относительно точки А поворота ковша, будет иметь вид

  (8)

где соответственно расстояние от точки поворота до центра тяжести ковша

и поршня, м; соответственно сила тяжести ковша; сила тяжести молока; сила тяжести подвижных частей клапана; сила от вакуума; сила, действующая на ковш со стороны струи молока, Н.

1 ковш; 2 отверстие; 3 шарнир; 4 клапан;

5 молокоприемник; 6 патрубок  Рисунок 11 Схема  к  расчету  времени

Рисунок  10 Схема отключающего устройства заполнения ковша

 

       Сделав допущение, что молоко осуществляет косой удар о дно ковша, то сила  от струи молока, действующей на ковш:

    (9)

где плотность молока, ; площадь поперечного сечения входного молочного патрубка крышки ведра, ; скорость истечения струи молока, ; 

угол наклона молочного патрубка, град.

       Силу тяжести молока определим из выражения:

(10)

где площадь зеркала молока в ковше, ; уровень молока в ковше, м.

       Подставим значение сил в выражение (10), решив относительно уровня молока

в коше h, получим:

  (11)

При выполнении условия (11) ковш выйдет из исходного состояния и переместится в крайнее нижнее положении и стимулирующий пульсатор отключится.

Рассмотрим процесс наполнения до уровня h. Выделим в ковше элементарный объем жидкости на расстоянии h от отверстия (рис. 11). Элементарный объем жидкости в ковше имеет вид  

Время заполнения ковша будет

        (12)

где  , объемная  производительность  соответственно  на притоке молока и

вытекании через отверстие, /с.

        Количество жидкости вытекающей через отверстие

         (13)

где коэффициент расхода, .

       Объемная подача молока в ковш зависит от интенсивности молокоотдачи коровы. Её можно определить исходя из зависимости (6). Проще получить зависи-

мость на основании экспериментальных данных.

Как видно из рисунка (рис. 7, зона А) интенсивность молокоотдачи за время латентного периода повышается равномерно, практически линейно, тогда на этом участке выражение для притока можно записать:

        (14)

где n1 коэффициент пропорциональности, м3/с2; t продолжительность доения, с.

Формула (13) с учетом (14) и (15) примет вид

         (15)

  Решение уравнения имеет вид:

  (16)

где  С постоянная интегрирования.

Выражение (16) характеризует взаимосвязь конструкторско-режимных параметров отключающего устройства стимулирующей секции пульсатора. Задавшись конструкцией ковша и временем его наполнения, определяют площадь отверстия в ковше для своевременного включения или отключения стимулирующего пульсатора. 

При извлечении молока у коров двухтактными доильными аппаратами наблюдается чрезмерное наползание стаканов на соски и, как следствие, преждевременное прекращение молоковыведения. Оттягивание вниз доильных стаканов руками, предотвращающее наползание, требует значительных затрат времени.

  А. Б. 

Рисунок  12 Схема сил, действующих на сосок: такт сосания (А), такт сжатия (Б)

Наползание стаканов на соски происходит при такте сосания доильного аппарата. При такте сосания под соском действует вакуум, вызывающий силу присасывания стакана Рн1 (рис. 12 А), направленную вверх. При перемещении стакана по соску возникает сила трения Fт1, препятствующая движению. Кроме того, от массы доильного стакана возникает сила тяжести G1. Также действует сила от давления натянутой в стакане сосковой резины Рс1, что вызывает сопротивление упругости тканей соска этому обжатию  Ру. В присоске происходит деформация утолщенной зоны сос-

ка и появление силы Рсп, препятствующей движению стакана вверх.

Уравнения равновесия сил, действующих на сосок:

;   (17)

Так как нормальная реакция соска равна силе упругости , то выражение для определения силы трения запишется как

где  f1 коэффициент трения сосковой резины о поверхность соска; рs среднее давление резины на сосок, Па; d, l1 соответственно диаметр и длина соска, охватываемая сосковой резиной без учета высоты  присоска, м.

Силу присасывания можно определить через величину вакуума под соском, т.е. . Сила тяжести стакана определится как (m масса подвесной части доильного аппарата, приходящая на один стакан, кг). Силу сопротивления вертикальному перемещению стакана в области присоска

 

где  рвп разрежение в полости присоска, Н/м2;  f2 коэффициент сопротивления перемещению стакана; k коэффициент, учитывающий площадь утолщенного участка соска, участвующую в сопротивлении перемещению стакана; d1диаметр утол-щенной части присоска его, м;  l2 рабочая высота присоска, м.

Для простоты расчетов можно принять, что коэффициенты трения f1 = f2. После подстановки составляющих величин, входящих в формулу (17) получим, решая относительно массы стаканов:

(18)

Масса подвесной части доильного аппарата должна подбираться таким образом, чтобы стаканы с одной стороны не наползали на соски,  а с другой не спадали с сосков. Спадание доильных аппаратов с вымени происходит обычно при такте сжатия.

       С наступлением такта сжатия смыкание стенок сосковой резины первоначально происходят под соском, а затем распространяется вверх. Следует заметить, что у цилиндрической сосковой  резины смыкание стенок происходит не полностью. Моделирование путем построения геометрических кривых сжатия соска при смыкании стенок сосковой резины показали, что площадь торца (кончика) соска уменьшается в 2,7Е3,0 раза по сравнению с первоначальной. При диаметре соска 25 мм и вакууме под соском 48 кПа во время такта сосания, действующая сила на стакан вверх, составит , а при такте сжатия будет всего .

У стандартного доильного стакана резина защемлена на концах и при смыкании ее стенок сжатие соска происходит под углом (рис. 12 Б). На сосок действует сила от давления сосковой резины , что вызывает сопротивление упругости тканей соска. Суммарная выталкивающая сила, со стороны соска на стакан, направлена вниз, а со стороны сомкнувшейся резины вверх. Целесообразно суммарную выталкивающую силу разделить на составляющие: боковую, возникающую от реакции боковой поверхности соска равную и торцевую , действующую на верхушку соска. Давление стенок сосковой резины на сосок по длине различное. Наибольшее давление наблюдается на верхушку соска при смыкании стенок сосковой резины. Поэтому стакан начинает перемещаться по соску вниз. Движение стакана по соску приводит к появлению силы трения , направленной вверх под углом к вертикали. Кроме того, от массы доильного стакана возникает сила тяжести . Результирующую силу Рсп, возникающую в присоске, примем  равную по величине, что и при такте сосания, но направленную противоположно, так как стакан по соску перемещается вниз.

Уравнение равновесия сил действующих на сосок при такте сжатия

(19)

или с  учетом значений сил, входящих в формулу (19), запишем:

  (20)

где , соответственно давление сосковой резины на боковую поверхность соска и его верхушку, Н/м2;  Sт площадь торцевой поверхности присоска, м2.

Решая  выражение (20) относительно массы, получаем:

(21)

       Выражение (21) позволяет вычислить массу стаканов, которые устойчиво удерживаются на сосках при такте сжатия работы доильного аппарата. Подстановка численных значений в формулы (18) и (21) позволила получить величины при которых стаканы не наползают на вымя коровы, и обеспечивается полное выдаивание молока без затрат ручного труда масса подвесной части доильного аппарата должна быть около 5 кг, а для надежного удерживания стаканов на вымени при такте сжатия необходима - 2,5 кг.  Масса подвесной части серийных доильных аппаратов колеблется от 2 до 3,0 кг. Что говорит об не оптимальном ее значении, которое приводит при доении к наползанию стаканов на соски вымени.

На наш взгляд, при доении следует автоматически перераспределять оттягивающее усилие на сосках в зависимости от такта работы аппарата. Подвесная часть такого доильного аппарата представлена на рисунке 13.

  А.  Б.

Рисунок 13 Подвесная часть доильного аппарата: принципиальная схема (А);  общий вид (Б);

1, 2 стаканы; 3 коллектор; 4, 8, 9, 11, 12 камеры; 5 распределитель; 6 цилиндр;

7 поршень; 10 демпфер; 13, 14 каналы; 15, 16 патрубки; 17 клапан

После подключения доильного аппарата к источнику вакуума, оператор надевает стаканы на соски вымени коровы. Пульсатор подает одновременно в камеру 12 распределителя воздух, а в камеру 11 - вакуум. Вакуум из камеры 11 по патрубку 15 поступает в межстенные камеры доильных стаканов 1, в этой доли вымени наступает такт сосания. Воздух из камеры 12 по патрубку 16 подается в межстенные камеры стаканов 2 другой половины вымени, где наступает такт сжатия. Одновременно вакуум по каналу 13, а воздух по каналу 14 поступают соответственно в камеры 8 и 9 цилиндра 6.  От возникшего перепада давлений поршень 7 перемешается в крайнее левое положение, происходит перераспределение массы коллектора, действующей на доильные стаканы. Под стаканами 1 появляется сосредоточенная сила тяжести от поршня 7, что исключает их наползание на соски вымени. Под стаканами 2 значение силы тяжести пропорционально уменьшается, что способствует их надежному удерживанию на сосках вымени при снижении вакуума под ними от смыкания сосковой резины в такте сжатия. При переключении пульсатора происходит противоположная замена тактов.  В стакане 2 наступает такт сосания, а в стакане 1Ц такт сжатия и соответственно перераспределение массы в коллекторе,  действующей на доильные стаканы 1 и 2. От изменения положения центра масс коллектора происходит его раскачивание, передающееся на вымя, что расценивается как положительный фактор, стимулирующий молокоотдачу и увеличивающий полноту извлечения молока.

В виду сложности аналитического рассмотрения взаимодействия  подвесной части доильного с выменем коровы, в диссертационной работе приняты допущения. Трубки, соединяющие  стаканы с коллектором приняты в качестве нитей, масса которых сосредоточена в коллекторе, а его цилиндр представлен в виде направляющей

по которой перемещается поршень.

При раскачивании подвесной части аппарата соски вымени совместно с доильными стаканами изменяют свой угол наклона относительно вертикали (рис. 14). 

Допустим значение реакций со стороны коллектора таковы, что стаканы  будут неподвижны на

сосках вымени, т. е.  длины стержней О1А = О2В = l = const при движении всей системы. Взаимодействие

Рисунок 14 - Расчетная схема взаимодействия  подвесной  части с выменем удобно

подвесной части доильного аппарата с выменем  рассматривать по этапам.

  Выберем произвольное положение системы и приложим действующие силы. При подключении доильного аппарата к вакууму, перепад давлений передается на поршень, он приходит в движение по направляющей, от чего изменяется положение центра масс системы. При этом поршень и направляющая перемещаются в противоположные стороны. Так как направляющая зафиксирована концами на подвесах (молочных трубках), то происходит их отклонение с увеличением угла поворота относительно вертикали. Поршень совершает относительное движение по направляющей, которая в свою очередь совершает поступательное движение.

Уравнение относительного движения поршня будет

(22)

где сила, действующая на поршень, Н; силы инерции поршня и трения, Н.

С учетом значений входящих сил в формулу (22), получим

  (23)

где величина вакуума, Н/м2; S1 площадь торца поршня, м2; tвремя, с; f коэффициент трения поршня о цилиндр; эмпирический коэффициент.

Для определения движения системы в целом, воспользуемся теоремой о движение центра масс, имеем:

(24)

  (25)

где  координаты центра масс системы направляющаяпоршень, м; соответственно масса поршня и всей остальной системы (корпус коллектора с молочными патрубками), кг.

При этом ; (26) 

где расстояние от конца цилиндра коллектора до поршня, м; координаты центра тяжести соответственно поршня и корпуса коллектора, м.

Продифференцировав дважды выражения (26) и подставив в уравнения (24), (25), решая совместно, имеем

(27)

Подставив ускорениеиз выражения (23) в формулу (27), получим:

(28)

Нелинейное уравнение можно решить численно с начальными условиями . Если принять, что угол мал (рассматриваются малые колебания, что в нашем случае вполне уместно) и, пренебрегая малыми величинами, получим упрощенное выражение колебания подвесной части доильного аппарата

  (29)

Введем обозначения:

  , (А>0), (В>0).

Тогда выражение (29) будет иметь вид

(30)

Применяя стандартные правила решения таких уравнений, получаем закон изменения угла отклонения

  (31)

Решая совместно выражения (23) и (31) получаем закон движения поршня в цилиндре коллектора:

где ;   (32)

При достижении поршнем крайнего положения происходит удар о торцовую стенку направляющей (рис. 15). От чего увеличение угла поворота прекращается, он достигает максимального значения. В виду того, что на поршень продолжает действовать сила от пере-пада давлений, то при ударе поршень остается у торцевой стенки. Удар  Рисунок 15 - Схема к расчету можно  считать неупругий.  От получен- 

  ного импульса направляющая совместно с поршнем начинают двигаться в обратном направлении с одной скоростью, горизонтальная проекция которой составляет u. Угол уменьшается, движение системы при этом будет только поступательное, так как поршень относительно направляющей остается неподвижным.

Из теории удара будем иметь

  (33)

где , соответственно скорость поршня и остальной  системы, м/с, .

Из выражения (33) находим скорость системы после удара:

(34)

Наиболее вероятным является движение всей системы в направлении движения поршня до удара.

Приняв, что вся масса системы сосредоточена в точке центра масс С(C0 ),  применим теорему об изменении кинетической энергии.

  (35)

где  соответственно начальная и текущая скорость центра масс системы, м/с .

       Учитывая, что , преобразования выражения приводят к уравнению:

  =       (36)

где  а постоянная, равная .

Интегрируя выражение (36), получаем

  (37)

где 

Выражение (37) определяет закон изменения угла поворота подвесов системы при ее совместном поступательном переносном движении. Угол поворота подвесов и перемещение направляющей поршня зависит от начальной скорости , циклической частоте и сдвига фаз колебаний .

Начальная скорость, входящая в выражение (37) определяется по выражению:

  (38)

Для определения реакций подвесов рассмотрим движение точки С, где находится центр сосредоточения масс системы (рис 15). Обозначим через угол отклонения подвесов от вертикали в некоторый момент времени, когда точка центра масс системы занимает положение точки С.

По принципу Даламбера сила тяжести , реакции подвесов , , касательная сила инерции , центробежная сила будут находиться в равновесии

 

                                 (39)

 

где координаты центра масс системы, м.

Подставляя значения сил входящих в систему (39), и решая относительно реакций , , получаем:

(40)

  (41)

По выражениям (40) и (41) определяются реакции на соски со стороны колеблющегося коллектора доильного аппарата при совместном поступательном движении поршня с направляющей.

Продолжительность совместного поступательного движения системы

  (42)

По истечении этого времени пульсатор переключиться для изменения тактов и перепада давлений, действующих на поршень. Поршень и направляющая снова перемещаются в противоположные стороны. Угол увеличивается относительно вертикали, но в противоположную сторону. Закон изменения колебаний системы будет происходить аналогично начальному этапу движения поршня, только при решении выражения (30), изменятся начальные условия. Если за начало данного этапа принять t=0, то , Начальная угловая скорость системы является конечной  скорость рассмотренного ранее этапа при достижении угла , тогда  уравнение (31) будет

  (43)

Выражения (31) и (43) для определения угла поворота подвесов коллектора отличается друг от друга членом . При установившемся движении коллектор доильного аппарата будет отклоняться при работе на угол, определяемый по формуле (43).

Создание малогабаритного и эффективного исполнительного механизма переносного манипулятора доения для линейных доильных установок важная проблема. Она может быть решена на основе пневмодвигателя, разработанного под руководством автора. Пневмодвигатель (рис. 16) оригинальной конструкции (патент РФ № 2203535) содержит корпус 1, внутри которого размещена цилиндрическая камера 2 с эксцентрично установленным ротором 3. На валу ротора шарнирно одним концом  закреплены лопатки 4 криволинейной формы. Подвесная часть доильного аппарата поднимается с помощью гибкой нити 5, наматываемой на барабан 6, соединенный с ротором через малогабаритный планетарный редуктор 7. Двигатель работает от вакуума, действующего на лопатки. Подвод вакуума происходит через патрубок. Воздух поступает в камеру через отверстие в корпусе.

Криволинейные лопатки не требуют замены в течение всего эксплуатационного

срока службы пневмодвигателя. Пневмодвигатель обладает малой массой, что важно, так как аппарат переносится при работе за счет мускульной силы дояра. Он может применяться в качестве исполнительного механизма манипулятора переносного доильного аппарата на доильных установках с молокопроводом (АДМ-8А, УДМ-200).

1-корпус; 2- камера; 3- ротор; 4- лопатка; 5- нить; 6- барабан; 7- редуктор; 8- шарнир

Рисунок 16   Конструктивная схема пневмодвигателя манипулятора.

Доильный  аппарат  (рис. 17)  содержит  стаканы 1  (патент  РФ  №  2215408), коллектор 2, пульсатор 3, молочный и воздушный 4 шланги и манипулятор, включающий пневмодвигатель (патент РФ №2203535) 5, пневмодатчик 6 с клапаном 7. Пневмодвигатель связан гибкой нитью 8 с коллектором.

  А. Б.

1 доильный стакан;  2 коллектор;  3 пульсатор;  4 шланги; 5 пневмодвигатель;

6 клапан; 7 пневмодатчик; 8 гибкая нить.

Рисунок  17 Переносной доильный аппарат с манипулятором: А принципиальная  схема,

Б общий вид

Решающим условием при проектировании механизма снятия доильных стаканов с вымени и их выводе из-под коровы является исключение удара подвесной части аппарата о пол стойла.

Рассмотрим процесс в плоскости движения подвесной части  доильного аппарата при ее выводе из-под животного после отключения вакуума (рис. 18). На подвесную часть действуют две силы: сила тяжести доильного аппарата и сила натяжения нити К. Под действием этих сил Р подвесная часть доильного аппарата движется по дуге. При этом обеспечивается уменьшение длины подвеса за счет вращения барабана пневмодвигателя. Для простоты решения задачи будем считать подвесную часть доильного аппарата как материальную точку  с  массой  m. Рисунок  18 Траектории движения подвесной  Пусть  l0 начальная  длина нити подвеса в

части аппарата при выводе из-под животного в  точке М.  Угол  отклонения  подвесной

  части доильного аппарата от вертикали в начальный момент времени примем равным 0.

Для  определения  закона  движения  воспользуемся  уравнением  Лагранжа.

  (44)

где  L - функция Лагранжа, равная (ТЦU), Дж; T Ц кинетическая энергия, Дж; U - силовая функция, Дж; Ц угол отклонения подвесной части доильного аппарата от вертикали,  рад.

Рассмотрим движение подвесной части доильного аппарата в момент t,  когда она находится  в некоторой точке . Скорость движения доильного аппарата раскладывается на нормальную составляющую , направленную по нити подвеса и перпендикулярную ей . Длина нити подвеса в точке составляет l.

  Кинетическая энергия материальной точки:

  (45)

Доильный аппарат движется под действием силы тяжести Р, а сила К Цреакция связи. Значит, силовой функцией будет потенциальная энергия. Если принять в точке подвеса потенциальная энергия U=0, тогда на высоте

  (46)

Уравнение (44) с учетом выражений (45) и (46), после соответствующих

преобразований  примет вид:

  (47)

Решение уравнения (47) в аналитическом виде весьма затруднительно. Допустим, что при уменьшении угла φ  длина  l  нити укорачивается таким образом, что  доильный  аппарат движется параллельно полу стойла на расстоянии  b от него. Следовательно,  длина нити  будет

  (48)

где h Ц высота установки пневмодвигателя над полом стойла, м.

Продифференцировав  выражение (48) и подставив результат и значение l в уравнение (53), имеем:

  (49)

Будем решать уравнение (49) с начальными условиями: , при этом введя обозначение .

Оно приводится к виду

(50)

Откуда закон изменения  угла поворота гибкой нити подвеса доильного аппарата в функции времени:

  (51)

Гибкая нить с уменьшением угла φ укорачивается из-за наматывания на ба-

рабан  пневмодвигателя. Формула для минимальной угловой скорости барабана:

(52)

Время вывода подвесной части доильного аппарата из-под коровы при снятии по завершению доения

         (53)

Необходимая угловая скорость вращения барабана пневмодвигателя, при которой реализуется процесс безударного о пол стойла снятия с вымени и вывода из-под коровы подвесной части доильного аппарата определяется по формуле (52),  а продолжительность этого процесса по выражению (53).

Отключение доильного аппарата от вакуума при его снятии с вымени животного осуществляется либо через пружинно-рычажный механизм (рис. 19), либо через клапан впуска воздуха коллектора (рис. 20).

По первому варианту для закрытия клапана 1 необходимо преодолеть усилие пружины 3. При этом соединение рычага со стержнем клапана скользящее. Конец рычага 4 взаимодействует с клапаном только при его опускании. Подъем клапана производится вручную вверх самостоятельно. В верхнем положении удерживается клапан за счет вакуума (сила ).  Усилие пружины 3 подбирается так, чтобы перед закрытием клапана выбрать свободное провисание нити и перевести подвесную часть доильного аппарата при выводе из-под животного в горизонтальное положение, исключающее ее удар о пол. Дальнейшее наматывание нити на барабан пневмодвигателя приведет к преодолению усилия пружины 3 и через рычажный механизм 4 к закрытию клапана 1 коллектора, и стаканы спадут с сосков.

1 - клапан отключения вакуума, 2- шайба, 1 Ц корпус коллектора; 2 - распределитель;

3- пружина, 4- рычаги, 5- гибкая нить. 3 - клапан впуска воздуха; 4 - клапан  отклю-

Рисунок 19 Схема к  расчету  рычажной чения  вакуума; 5 - пружина; 6 - нить

системы коллектора Рисунок  20   Схема к расчету клапанного

механизма коллектора

Если рассматривать подвесную часть доильного аппарата как материальную

точку, то сила Т, необходимая для начала ее подъема найдется как:

(54) 

где  Ту Ц вертикальная составляющая силы Т, Н; m - масса подвесной части доильного аппарата, кг; - угол первоначального отклонения нити от вертикали.

Активные силы, действующие на систему (рис. 19): сила от вакуума на клапане ; сила тяжести клапана (Ц масса клапана); сила упругости пружины ; движущая сила пневмодвигателя . Приняв реакции связей за идеальные и применив для нахождения необходимой силы упругости пружины коллектора принцип возможных перемещений находим

        (55)

где  r1, r2 - длины плеч рычага относительно оси вращения, м.

При создании предварительного натяжения пружины коэффициент жесткости определяется по выражению

  (56)

где , - соответственно начальное и конечное усилие пружины, Н; Ц

ход пружины, м.

Другая модификация коллектора наиболее проста и предусматривает безрычажное выключение клапана (рис. 20). При выводе подвесной части аппарата из-под животного усилие от нити 6 пневмодвигателя передается на стержень клапана 3, дальнейшее перемещение нити 6 вызывает сжатие пружины 5. Клапан 3 отрывается от верхнего торца коллектора, соединяя молочную камеру с атмосферой. Струя воздуха попадает в молочную камеру, что приводит к закрытию клапана 4 и к спаданию стаканов с сосков, и подвесная часть аппарата выводится из-под коровы.

На клапан 3 коллектора действуют сила от перепада давлений Fк1; сила упругости пружины ; суммарная сила тяжести клапана и коллектора Gк и сила ре-

акции опоры клапана .

Рассмотрев равновесия системы и составив уравнение на ось Y, получаем:

(57)

Сила должна быть меньше  движущей силы . Ход клапана h принимается по конструктивным соображениям. Геометрические параметры пружины определяются по стандартным расчетам для цилиндрических пружин сжатия.

Расход воздуха , необходимый на привод пневмодвигателя определяется по  зависимости для ротационных пневматических машин:

  (58)

где - поправочный коэффициент учитывающий утечки воздуха; p1 Ц безразмерная величина, характеризующая перепад давлений действующих на лопатку, ;  l - длина ротора, м;  S Ц площадь сечения  между соседними лопатками в момент отсечки, м; z - число лопаток пневмодвигателя; nЦ частота вращения

ротора, об/с; pбЦ барометрическое давление окружающей среды, Па.

Площадь, заключенная между криволинейными лопатками в момент отсечки

воздуха (при перекрытии впускного и выпускного окон), обозначена буквами ACDEFB (рис. 21). 

А. Б.

, Ц углы, определяющие положение лопаток и ротора в момент отсечки воздуха;

r - радиус ротора; R - внутренний радиус роторной камеры; е Ц эксцентриситет

Рисунок  21 - Расчетная схема  пневмодвигателя: А - общий вид сечения; Б - расчетная схема (повернуто)

Площадь фигуры АВFEDC составит:

(59)

где ,,Цсоответственно площади фигур ABC, DFE и BCDF.

Площадь криволинейной фигуры:

 

(60)

Определения угла отсечки подачи воздуха в роторную камеру осуществляют из формул:

  ,  (61)

Площадь фигуры S2 определяется по выражению:

 

 

  (62)

Определение угла начала выпуска воздуха из роторной камеры осуществляют из формул:

;(63) 

Площадь фигуры  S3 определяем по формуле:

    (64)

Потребная мощность на барабане пневмодвигателя зависит от массы подвесной части доильного аппарата и  скорости ее подъема, для обеспечения условия безударного о пол стойла снятия:

  (65)

В четвертом разделе Методика экспериментальных исследований представлены общие типовые и частные методики, применяемые в экспериментальных исследованиях, приведены описания лабораторных установок.

В пятом разделе Результаты лабораторных исследований представлены результаты исследований. Обработка полученных данных производилась с помощью ПЭВМ. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры Механизация животноводства и в виварии ФГОУ ВПО Рязанская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора П. А. Костычева.

Установлено, что значения модуля упругости Е и коэффициента поперечной деформации изменяются в широком диапазоне. Для сосков вымени с  первоначальным диаметром 24Е26 мм и длиной 55Е65 мм значения модуля упругости Е находятся в пределах (18,5Е51,0) 10-3 МПа, а коэффициента поперечной деформации  соответственно в пределах 0,17Е0,50. Коэффициенты трения f не зависят от усилия прижатия (в биологически допустимом пределе) сосковой резины к телу соска, и находятся для сухих поверхностей сосок вымени Ц сосковая резина в пределах 0,19Е0,23, а для мокрых Ц соответственно 0,21Е0,24.

Экспериментальные исследования доильного аппарата с управляемой

стимуляцией

В программу исследований входило определение отсасывающих способностей аппаратов  ДАУС и АДУ-1-04, времени работы стимулирующего пульсатора  и  выявление оптимальных конструкторско-режимных параметров отключающего устройства для требуемой продолжительности стимуляции рефлекса молокоотдачи.

  Из рисунка 22 видно, что при работе ДАУС с включенным стимулирующим пульсатором его отсасывающая способность практически такая же, что и у аппарата АДУ-1-04. При отключении стимулирующего пульсатора ДАУС отсасывающая способность  на  10Е12 % выше. Это объясняется тем, что переходный режим у пульсатора короче. Кроме того, сосковая резина при такте сосания у АДУ-1-04 полусжата,  что  оказывает дополнительное сопротивление прохождению жидкости  при  интенсивной молокоотдаче,  а  у экспериментального аппарата при такте

сосания резина полностью раскры-та. Для выявления зависимости времени работы стимулирующего пульсатора от интеннсивности отса-сывающей способности и диаметра жиклера в ковше отключающего  устройства  был  проведен  двух-факторный  эксперимент. 

В результате проведенного ста-

  тистического анализа эксперимен-

  тальных данных c использованием

А - работа ДАУС со стимулирующим пульсатором;  программы на языке Бейсик была

Б - ДАУС с отключенным стимулирующим пульсатором;  получена  адекватная математи-

Рисунок 22 - Графическая зависимость отсасывающей ческая модель зависимости вре-

способности Q  от диаметра d отверстий в имитаторах сосков  мени  работы  стимулирующего

  пульсатора (t, c) от отсасывающей спонсобности  (Q, кг/мин) и диаметра отверстия жиклера (d, мм) в ковше:

  (66)

Графическая интерпретация выражения (69)  представлена  на  рисунке  23.  Анализ  полученных  результатов показывает, что  при  отсасывающей спонсобности ДАУС в диапазоне от 0,26 до 0,90 кг/мин и диаметрах отверстий жикнлера  ковша 7, 8 и 9 мм стимулирующий  пульсатор  будет работать  соответственно 21...26; 25...30 и  33...42 с. При уменьшении диаметра  отнверстия  жиклера  в  ковше и увеличении отсасывающей способности до-ильного  аппарата  время  работы стимули-  рующего  пульсатора  уменьшается. Исходя

Рисунок 23 - Зависимости времени работы  из того, что  латентный  период  у  коровы стимулирующего пульсатора длится около 60 с,  а на ручные  подготови-

  тельные операции затрачивается в среднем 30Е35 с, то стимулинрующий пульсатор должен работать в течение 25...30 с в начале  доения. Тогда для работы ДАУС в  производственных условиях следует устанавливать в  ковш жиклер с диаметром отверстия 8 мм.

Экспериментальные исследования доильного аппарата с изменяющейся нагрузкой на четверти вымени

В ходе лабораторных исследований были получены графические зависимости времени движения поршня в пределах рабочей длины цилиндра (l=0,14м)  (рис. 24) и угла отклонения подвесной части доильного аппарата от вертикали (рис. 25).

Анализ полученных результатов показал, что время движения поршня в цилиндре коллектора в пределах рабочей длины зависит от величины вакуума и массы поршня. С уменьшением массы поршня и увеличением вакуума, время движения уменьшается. Угол отклонения подвесной части от вертикали при постоянной массе корпуса коллектора зависит от массы поршня, величины вакуума и длины молочных патрубков стаканов. При вакууме  42Е54 кПа и массе поршня

0,5Е1,0 кг угол отклонения подвесной части изменяется от 2,2 до 12,7 град.

 

Рисунок 24 - Графическая зависимость  Рисунок 25 - Графическая зависимость

времени движения поршня в цилиндре t угла отклонения от величины вакуума Рв

от  вакуумметрического давления Рв.

Для определения совместного влияния вакуума Рв, массы поршня m и массы стакана (с учетом постоянной массы корпуса коллектора, приходящейся на стакан) Мс доильного аппарата с изменяющейся нагрузкой на четверти вымени на величину наползания был проведен 3-х факторный эксперимент. В результате обработки экспериментальных данных, произведенной  на ПЭВМ в компьютерной программе лMathematika 4.2  была получена адекватная математическая модель зависимости величины наползания Н от принятых факторов.

(67)

Из зависимости следует, к уменьшению наползания доильного аппарата на вымя коровы приводит увеличение масс поршня (m) коллектора и доильного стакана (Mc ) с учетом постоянной массы корпуса коллектора, приходящейся на стакан и снижение вакуумметрического давления (P).

В результате пошаговой обработки данных установлено, что оптимально-рациональными значениями пара-метров доильного аппарата с из-меняющейся нагрузкой на четвер-

ти при вакууме 48 кПа: масса поршня 850 г, масса стакана с учетом постоянной массы коллектора, приходящейся на стакан 480 г.

  По  результатам  проведения сравнительных испытаний  (рис. 26) доильных  аппаратов  АДУ-1-01,

Рисунок 26 - Результаты сравнительных  Дояр и экспериментального вид- испытаний  доильных  аппаратов  но, что доильный аппарат с изменя-

ющейся нагрузкой  на  четверти  коровы предотвращает наползание доильных стаканов намного эффективнее, чем серийно выпускаемые. Так, например, наползание стаканов при вакууме 48 кПа составило АДУ-1 - 32 мм, Дояр Ц 29 мм,  лабораторный - 7 мм.

Для проверки сходимости результатов исследований в диссертации представлены теоретические и экспериментальные зависимости, расхождение которых в среднем не превышает 5 %.

Результаты исследований доильного аппарата с манипулятором

В программу исследований входило определение влияния конструктивно-технологических параметров пневмодвигателя на мощность на барабане и расход воздуха; определение скорости перемещения нити и жесткости пружины коллектора для обеспечения безударного снятия подвесной части доильного аппарата; определение оптимальных параметров доильного аппарата. Эксперименты проводились на лабораторной установке Уискусственное вымяФ. Испытывалось несколько лабораторных образцов пневмодвигателя манипулятора. В итоге был принят пневмодвигатель с внутренним диаметром роторной камеры  58 мм  и  длиной  60 мм и  диаметром

ротора 45 мм. Барабан соединен с валом пневмодвигателя через редуктор с переда-

точным отношением 1: 8.

Зависимости расхода воздуха и развиваемой мощности N на барабане пневмодвигателя от величины вакуума при подъеме подвесной части доильного аппа-

рата, массой m = 3,4 кг представлены на рисунке 27. При увеличении величины разряжения Р в вакуумпроводе с 30 до 60 кПа происходит рост значения расходуемого воздуха Q пневмодвигателем c 0,8810-3  до 2,3310-3 м/с. Характер приведенных  зависимостей остается неизменным при различных диаметрах барабанов и внутренних диаметрах выпускных патрубков. При изменении величины вакуума Р с 30 до 60 кПа также происходит увеличение мощности N c 0,25 до 8,95 Вт, это объясняется ростом перепада давлений действующих на лопатку в роторной камере, что приводит к повышению крутящего момента на барабане пневмодвигателя. При постоянном параметре вакуумметрического давления Р с увеличением диаметра барабана D с 12 до 36 мм значение мощности N возрастает с 2,94 до 7,34 Вт, так как увеличивается скорость подъема доильного аппарата при незначительном  падении частоты вращения барабана. При диаметрах барабана D от 12 до 16 мм наблюдались  удары  доильного  аппарата  о пол  стойла при автоматическом снятии  с искусственного вымени, с  увеличением рабочего диаметра барабана  D  более 16 мм осуществлялось безударное снятия доильного аппарата. Для реализации данного процесса  минимально необходимая  мощность  . Увеличение  диаметра барабана более значения 36 мм нецелесообразно, так как это приведет к увеличению массы и  габаритных размеров пневмодвигателя, что является нежелательным при использовании его в составе переносного манипулятора доения. С увеличением  диаметра барабана D с 12 до 36 мм, происходит рост величины расходуемого воздуха Q пневмодвигателем c 1,7810-3 до 2,110-3 м/с.  Это объясняется тем, что происходит  увеличение  момента  при  подъеме подвесной части доильного аппарата  и приводит к большему расходу Q из-за утечек  воздуха в роторной камере.

А.  Б.

Рисунок 27 - Графическая зависимость расхода воздуха Q  (А) и мощности N пневмодвигателя (Б) от величины вакуума P: 1 - при диаметре барабана D = 16 мм, и внутреннем диаметре патрубка  d = 3 мм;  2- при D = 16 мм и d = 6 мм;  3 - при D = 26 мм и d = 3 мм;  4 -

при D = 16 мм и d = 9 мм; 5 - при D = 36 мм и d = 3 мм;  6- при D = 26 мм и d = 6 мм; 7- при D = 26 мм и d = 9 мм;  8 - при D = 36 мм и d =6 мм; 9- при D = 36 мм и d = 9 мм

Зависимость расхода воз-духа Q, изменения мощности 

N и массы m поднимаемого груза от размера внутреннего

  диаметра патрубка d при подъ-

  еме  подвесной  части  доиль-

  ного аппарата массой m=3,4 кг,

величине вакуума  Р=50 кПа и диаметре  барабана D=16  мм 

представлены  на рисунке  28.

  При увеличении  внутреннего

  диаметра  выпускного патрубка

Рисунок 28 - Зависимость расхода воздуха Q (1); d c 3 до 9 мм происходит увели-

мощности на барабане пневмодвигателя N (2) и  чение расхода воздуха Q пнев- массы m (3) поднимаемого груза  от внутреннего модвигателя с 1,3310-3 до

диаметра выпускного патрубка d  1,910-3 м/с и мощности  N  на

барабане пневмодвигателя с 0,8 до 4,1 Вт. Это объясняется повышением скорости движения воздуха и частоты вращения ротора.  Масса  m  поднимаемого груза увеличивается с 1,49 до 9,14 кг.

Зависимость частоты вращения n барабана пневмодвигателя от величины  вакуума P при подъеме подвесной части доильного аппарата массой m=3,4 кг и диаметрах барабана D=16 мм, выпускного патрубка d=6 мм показана на рисунке 29. Работоспособность  пневмодвигателя возможна  при  минимально допустимой

частоте вращения барабана пневмо-

двигателя равной nmin= 60 об/мин, при ее дальнейшем снижении происходит остановка  ротора пневмодвигателя. С увеличением величины вакуума с  42 до 60 кПа частота вращения барабана пневмо-двигателя увеличивается с 60 до 146 об/мин.  При  увеличении  диаметра

барабана D с 12 до 36 мм скорость

подъема подвесной части доильного

  аппарата  возрастает с 0,09  до 0,2

Рисунок 29 - Зависимость частоты вращения м/с. Безударное  снятие  доильного

от величины вакуума аппарата  о  пол  наблюдалось при

скорости движения нити 0,11 м/с. В результате проведенного многофакторного эксперимента и статистического анализа опытных данных c использованием программы на языке GW BASIC  был получены математическая модель зависимости величины расхода воздуха Q(м3/с) пневмодвигателем от величины вакуумметрического давления в вакуумпроводе Р(кПа), диаметра поверхности барабана D(мм) и внутреннего  диаметра  выпускного патрубка d(мм):

(68) 

и математическая модель зависимости развиваемой мощности на барабане пневмодвигателя N(Вт) от величины давления в вакуумпроводе Р(кПа), диаметра  барабана D(мм) и внутреннего  диаметра  выпускного патрубка d(мм):

(69)

В результате пошаговой обработки данных установлено, что оптимально-рациональными значениями параметров для пневмодвигателя являются: величина разряжения в вакуумпроводе Р=48 кПа, диаметр барабана D = 22 мм, внутренний диаметр выпускного патрубка d =7 мм. При этом достигаются развиваемая мощность на барабане пневмодвигателя N=4,1 Вт, расход воздуха Q =1,810-3 м/с (6,5 м/ч), частота вращения n=105 об/мин, а скорость движения нити с подвесной частью доильного аппарата = 0,12 м/с.

В шестом разделе Производственные испытания и экономическая эффективность разработанной технологии и технических средств доения изложена программа, методика и результаты производственных испытаний разработанных доильных аппаратов и усовершенствованной технологии доения коров, определена экономическая эффективность.

Производственные сравнительные испытания доильных аппаратов на группах коров-аналогов проводились на молочном комплексе учхоза "Стенькино" Рязанской ГСХА в 1998Е2006 гг.  В целом результаты сравнительных испытаний показали, что разработанные технические средства доения работоспособны и эффективны.

Так при увеличении средней интенсивности молоковыведения на 9,48% у донильного аппарата с управляемой стимуляцией, по сравнению с АДУ-1-04 время машинного доения сократилась на 8,55 %, а продуктивность коров выше на 1,26 %, что говорит о более адекватной стимуляции рефлекса молокоотдачи. В основной период испытаний количество остаточного молока у коров опытной группы уменьшилось на 9,28%, а содержание жира в молоке увеличинлось на 0,06 % по сравнению с контрольной.

Применение доильного аппарата с изменяющей нагрузкой на вымя показало, что он в отличие от АДУ-1 не наползает на соски вымени, и животное выдаивается полностью без машинного додаивания, на которое у серийно выпускаемого аппарата затрачивается до 80 с. Общая продолжительность доения у экспериментального аппарата меньше, чем у серийного на 8,47%. Интенсивность молоковыведения у экспериментального доильного аппарата выше, чем у серийного на 11,21% за счет более высокой отсасывающей способности в период интенсивного припуска молока. При этом покачивание подвесной части аппарата вызывает стимулирующее воздействие. Это способствует беспрепятственному и быстрому отводу молока из вымени. Продуктивность коров опытной группы по сравнению с контрольной выше на 4%.

Производственные испытания пневмодвигателя в качестве исполнительного

механизма  манипулятора оказали его эффективность. Оптимальная  частота вращения  барабана пневмодвигателя  при снятии с вымени и выводе из-под коровы доильного аппарата находится в пределах 100Е110 мин-1, что обеспечивает скорость движения  гибкой нити  подвеса  0,11Е0,12 м/с при длительности процесса около 6Е8 с и расходе воздуха за одно снятие Ц  0,015Е0,017 м.

Испытание усовершенствованной технологии доения коров в

производственных условиях

Манипулятор доения и аппарат с изменяющейся нагрузкой на четверти вымени использовались для производственной проверки усовершенствованной технологии доения. Проверка технологии в производственных условиях проводилась в двух хозяйствах Рязанской области.

Для испытаний использовались по две группы коров до 50 голов, учет вели по 35 животным в группах. Коров доили в молокопровод, доярка в контрольной группе работала одновременно с тремя доильными аппаратами АДУ-1, а в опытных группах - с четырьмя разработанными.

Результаты производственной проверки технологий представлены в таблице.

Производительность дояра по предлагаемой технологии доения более 29 гол/час, что на 33% выше, чем при стандартной, продолжительность дойки стада сократилось  на 25%, при снижении общих затрат труда на доение коровы на 24,4 %.  Существенно важно, за счет стимулирующего адекватного действия  доильного аппарата с изменяющейся нагрузкой на четверти вымени, продуктивность коров повысилась на 3,85 %. Проверка степени опорожнения вымени после автоматического снятия доильного аппарата путем ручного додоя показала, коровы отдают молоко полностью. Случаев заболевания маститом у коров при испытании технологии на основе манипулятора доения в опытной группе не наблюдалось, а в контрольной группе их было три. Производительность доильного аппарата с манипулятором практически равна доильному аппарату с изменяющейся нагрузкой на четверти вымени без манипулятора. Главное его достоинство в том, что он исключает передержки доильных стаканов на сосках вымени выдоившейся коровы.

Таблица  Результаты производственной проверки технологий доения

Показатели	Стандартная технология доения	Новая технология доения	Разница, %
Количество коров в группе, гол	35	35	-
Продолжительность дойки, ч	1,59	1,19	-25,16
Разовый средний удой на корову, кг	4,88	5,07	+3,85
Общая продолжительность доения коровы, мин	6,24	5,72	-8,3
Производительность дояра, гол/ч	22,0	29,4	-33,6
Затраты труда на доение чел.- ч/гол	0,045	0,034	-24,4

Результаты расчета экономической эффективности показывают, что  применение рациональной технологии доения коров позволяет получить годовой экономический эффект в размере 289429 рублей при использовании доильного аппарата с изменяющейся нагрузкой на четверти вымени с манипулятором доения и 315089 рубля без манипулятора доения на стаде 200 коров и сокращения затрат ручного труда 21,5%. При определении экономической эффективности не учитывался положительный эффект от снижения заболеваний молочной железы коров.

  ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ процесса машинного доения на линейных установках при привязном содержании показал его несовершенство. Дояр, работая с тремя доильными аппаратами при доении в молокопровод затрачивает более 120 с ручного труда на одну корову, при общих  затратах труда до 600 челс на одну голову в сутки. С увеличением числа доильных аппаратов с 3 до 5 производительность дояра повышается с 20 до 35 гол/ч, затраты труда снижаются с 600 челс до 360 челс на корову в сутки. Установлено, что увеличение числа доильных аппаратов, с которыми работает дояр, ведет к их передержкам на вымени и холостому доению, повышающему вероятность заболевания коров маститом. Так увеличение  числа доильных аппаратов у оператора с 3-х до 5-ти доля  животных, подверженных передержкам доильных стаканов на вымени возрастает с 30 до 60%.

2. Усовершенствованная технология машинного доения коров при привязном содержании должна предусматривать применение технических средств, обеспечивающих стимуляцию рефлекса молокоотдачи, полное выдаивание молока без машинного додаивания, исключение передержек на вымени выдоившихся коров доильных стаканов путем их автоматического снятия.

3. Доильный аппарат с управляемой стимуляцией молокоотдачи содержит стаканы, коллектор, основной и стимулирующий пульсаторы с отключающим устройством ковшового типа. Рабочий процесс такого доильного аппарата орнганизован таким образом, что при достижении определенной интенсивности молокоотдачи в начале доения стимулирующий пульсатор отключался и при уменьшении  интенсивности  молокоотдачи  до  определенной  величины  в  конце  доения включался с целью стимулирования вывода последних порций молока.

4. Теоретически доказано, что продолжительность работы стимулирующего пульсатора зависит как от конструктивных параметров отключающего устройства, так и от финзиологических особенностей животного и зависит от интенсивности молоковыведения и диаметра отверстия в жиклере ковша. При изменении интенсивности молокоотдачи от 0,24 до 0,91 кг/мин для жиклеров с диаметром отверстия 9, 8 и 7 мм время работы стимулирующего пульсатора находится соответственно в пределах 33...40, 25...30 и 21...26 с. Для работы доильного аппарата с управляенмой стимуляцией в производственных условиях следует устанавливать жиклер с диаметром отверстия 8 мм, что обеспечивает стимуляцию в течение 25...30 с  в начале доения.

5. Теоретическими исследованиями установлено, что наползание стаканов на соски вымени при такте сосания не будет происходить тогда, когда масса подвесной части доильного аппарата будет составлять около 5,0 кг, а для надежного удерживания на вымени при такте сжатия достаточно - 2,5 кг. Поэтому доильный аппарат, обеспечивающий полное извлечение молока из вымени без машинного додаивания должен изменять нагрузку на четверти вымени коровы и содержать доильные стаканы, коллектор с изменяющимся центром масс, пульсатор попарного действия, молочные и вакуумные шланги. Коллектор с изменяющимся центром масс, состоящий из молочной камеры и цилиндра с поршнем, позволяет осуществлять переменную нагрузку на вымя коровы в зависимости от тактов работы пульсатора. Рабочий процесс доильного аппарата организован таким образом, что под доильными стаканами, где осуществляется такт сосания, увеличивается сила тяжести за счет поршня с высокой удельной массой, что предотвращает наползание стаканов на соски, а под доильными стаканами, где происходит такт сжатия, пропорционально уменьшается, что способствует надежному удерживанию стаканов на сосках вымени.

       6. Установлено, что время движения поршня в цилиндре коллектора в пределах рабочей длины зависит от величины вакуума и массы поршня. При рабочей длине цилиндра l = 0,14 м время движения поршня массой 1 кг при действующем вакууме 42; 48; 54 кПа составило соответственно 0,21; 0,19; 0,17 с, а время движения поршня массой 0,5 кг при таком же вакуумметрическом давлении составило соответственно 0,17; 0,15; 0,13 с. Выявлено, что продолжительность достижения рабочего давления в цилиндре коллектора при подключении его к вакуумпроводу с рабочим давлением зависит от величины рабочего давления. Продолжительность нарастания величины вакуума в цилиндре коллектора до 42 кПа составило 0,15 с, а до 54 кПа - 0,20 с. Угол отклонения подвесной части от вертикали при постоянной массе корпуса коллектора зависит от массы поршня, величины вакуума и длины молочных патрубков стаканов. При вакууме 42Е54 кПа и массе поршня 0,5Е1,0 кг угол отклонения подвесной части изменяется от 2,2 до 12,7. Оптимальными конструктивно-технологическими параметрами для доильного аппарата с изменяющейся нагрузкой на четверти вымени являются: величина разряжения в вакуумпроводе 48 кПа, масса поршня 0,85 кг, масса доильного стакана (с учетом постоянной массы корпуса коллектора, приходящейся на стакан) 0,48 кг.

7. Доильный аппарат, исключающий передержки на вымени выдоившихся коров доильных стаканов с обеспечением их автоматического снятия с вымени должен содержать доильные стаканы, пульсатор, коллектор, пневмодатчик, устройство автоматического снятия и клапан его включения. С увеличением интенсивности молокоотдачи выше 330 г/мин пневмодатчик переходит в режим автоматического слежения за молоковыведением, а в конце доения, при снижении интенсивности молокоотдачи до 120 г/мин происходит автоматическое снятие доильного аппарата пневмодвигателем,  включаемым в работу посредством клапана.

Устройство для автоматического снятия доильного аппарата  содержит пневмодвигатель с барабаном, на который наматывается нить, соединенная с коллектором. Пневмодвигатель состоит из корпуса с эксцентрично установленным в нем ротором, снабженным лопатками криволинейной формы. При подключении вакуума к роторной камере пневмодвигателя перепад давлений, действующий на лопатки, вызывает вращение вала ротора, который связан с барабаном через редуктор.

       8. Теоретическими исследованиями установлено, что с увеличением значения начального угла отклонения доильного аппарата от вертикали и высоты подвеса пневмодвигателя частота вращения и мощность увеличиваются. С увеличением радиуса барабана частота вращения  уменьшается, а мощность увеличивается. С увеличением массы подвесной части доильного аппарата потребная мощность на барабане увеличивается. Расход воздуха пневмодвигателем с увели-чением  геометрических размеров, частоты вращения ротора, числа установленных лопаток и величины вакуума доильной установки возрастает.  В результате лабораторных исследований установлено, что с увеличением внутреннего диаметра выпускного патрубка с 3 до 9 мм, величины вакуума от 30 до 60 кПа и диаметра  барабана с 16 до 36 мм расход воздуха увеличивается от 1,2110-3 до 2,3310-3 м/с, а мощность на барабане с 0,25 до 8,95 Вт.

Для работы переносного доильного аппарата с манипулятором  в производственных условиях рекомендуется использовать диаметр барабана 22 мм, внутренний диаметр выпускного патрубка 7 мм. При величине разряжения в вакуумпроводе,  равном 48 кПа, расход воздуха составляет 6,5 м/ч, а мощность пневмо-двигателя 4,1 Вт, что достаточно для обеспечения безударного о пол стойла снятие подвесной части доильного аппарата.

9. Установлено, что при доении аппаратом с управляемой стинмуляцией отключение стимулирующего пульсатора осуществляется по истечению 25...35с после начала выведения молока, а его включение в работу при снижении интенсивности молоковыведения до 0,5Е0,8 кг/мин, что обеспечивает по сравнению с доильным аппаратом АДУ-1-04 увеличение разового удоя коров на 1,26% и увеличение содержания жира в молоке на 0,06%.

       10. Установлено, что при доении экспериментальным аппаратом с изменяющейся нагрузкой на четверти вымени по сравнению с доильным аппаратом АДУ-1 увеличивается разовый удой коров на 4,11%, а общая продолжительность доения сокращается с 413 до 378 с или на 8,47 %. Интенсивности молоковыведения при максимальной молокоотдаче и средняя у разработанного доильного аппарата выше, чем у АДУ-1-04 на 11,21 и 13,50%, соответственно.

       11. Установлено, что при доении экспериментально-производственным аппаратом с манипулятором  продолжительность общего времени доения сократилась на 13,53 % или 36 с при увеличении средней интенсивности молоковыведения  на 11,01%. Общее время автоматического снятия подвесной части доильного аппарата не превышает 8 с, при расходе воздуха не более 0,015 м.

12. Предложенная  технология доения коров позволяет оператору обслуживать не менее четырех доильных аппаратов с изменяющейся нагрузкой на четверти вымени, которые могут быть снабжены манипуляторами доения. Это обеспечивает производительность более 29 коров/час, что на 33 % выше, чем при стандартной технологии доения, или снижение общих затрат труда на корову на 24,4%. Повышается полнота выдаивания коров и соответственно увеличивается средняя продуктивность по стаду на 3,85 % и снижается заболеваемость маститами.

Результаты расчета экономической эффективности показывают, что  применение усовершенствованной технологии доения коров позволяет получить годовой экономический эффект в размере 289429 рублей при использовании доильного аппарата с изменяющейся нагрузкой на четверти вымени с манипулятором доения и 315089 рубля без манипулятора доения  на стаде 200 коров и сокращение затрат ручного труда на 21,5%. При определении экономической эффективности не учитывался положительный эффект от снижения заболеваний молочной железы коров.

  Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

  В монографии:

1. Ульянов В.М. Вопросы теории машинного доения.   Рязань: ИРИЦ ФГОУ  ВПО РГСХА, 2006. 112 с.

В изданиях рекомендуемых ВАК:

2. Ульянов В.М. Переносной доильный  аппарат с манипулятором / В.М. Ульянов, С.В. Шапошников // Сельский механизатор, №11, 2004. С. 35.
3. Ульянов В.М. Обоснование скоростного режима манипулятора доильного аппарата /В.М. Ульянов, А.Ю. Кирьянов // Техника в сельском хозяйстве, №5, 2005. С.10Е11.
4. Ульянов В.М. Стакан, притворившийся теленком // Сельский механизатор, №4, 2006. С. 26Е27.
5. Ульянов В.М. Наш доильный аппарат эффективнее // Сельский механизатор, №11, 2006. С. 23Е24.
6. Ульянов В.М. Физиологически адаптированный доильный аппарат /В.М. Ульянов, В.А. Хрипин // Сельский механизатор, №1, 2007. С. 12Е13.
7. Ульянов В.М. Результаты производственной проверки технологии доения коров// Механизация и электрификация сельского хозяйства, № 5, 2008. С.17...19.
8. Ульянов В.М. Доильный аппарат с изменяющейся нагрузкой на четверти вымени /В.Ф. Некрашевич // Механизация и электрификация сельского хозяйства, №6, 2008.
9. Ульянов В.М. Совершенствование  доения коров при привязном содержании// Техника в сельском хозяйстве, №3, 2008.
10. Ульянов В.М. выведение молока из вымени коровы вакуумным доильным аппаратом /В.Ф. Некрашевич, В.М. Ульянов// Техника в сельском хозяйстве, №3, 2008.

В материалах международных и всероссийских конференциях, симпозиумах и других изданий:

11. Ульянов В.М. Модернизированный доильный аппарат /В.В. Утолин, В.Ф. Некрашевич, В.М. Ульянов// Сб. науч.тр. аспирантов, соискателей и сотрудников  РГСХА имени П.А. Костычева. Рязань, 1997. С.138Е141.
12. Ульянов В.М. Расчет пропускной способности модернизированного доильного аппарата/ В.М.Ульянов, В.В. Утолин// Сб.науч.тр. аспирантов, соискателей и сотрудников  РГСХА имени П.А. Костычева.   Рязань, 1998. С. 209Е210.
13. Ульянов В.М. Доильный аппарат / В.М.Ульянов, В.В. Утолин, Д.Н. Топилин//Сб. науч. тр. аспирантов, соискателей и сотрудников  РГСХА имени П.А. Костычева.   Рязань, 1998. С. 210Е212.
14. Ульянов В.М. К вопросу извлечения молока из вымени коровы вакуумным доильным аппаратом / Современные энерго-и ресурсосберегающие экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства // Сб.науч.тр., вып. 3, ч.1. Рязань: ФГОУ  ВПО РГСХА, 1999. С. 73Е76.
15. Ульянов В.М. Физиологическое обоснование модернизированного доильного аппарата / В.М. Ульянов, Л.Г. Каширина,  Б.В. Ильюшенко // Юбилейный сб. науч. тр. сотрудников и аспирантов РГСХА имени П.А. Костычева, т.1. Рязань: ФГОУ  ВПО РГСХА, 1999. С.173Е176
16. Ульянов В.М. Устройство для снятия доильного  аппарата / В.М. Ульянов, А.Ю. Кирьянов. Современные перспективы разработки механизации животноводства и пчеловодства // Сб. науч. тр. Рязань: ФГОУ  ВПО РГСХА, 2003. С. 25Е27.
17. Ульянов В.М. Оценка качества обработки грубого корма/ В.В. Лященко, В.Ф. Некрашевич, В.М. Ульянов, А.И. Ковалев // Механизация и электрификация сельского хозяйства, № 4, 1998.
18. Ульянов В.М. Расчет диаметра отверстия ковша и времени работы стимулирующего блока модернизированного доильного аппарата / Некрашевич В.Ф., В.М. Ульянов, В.В. Утолин // Сб.науч.тр. аспирантов, соискателей и сотрудников  РГСХА имени П.А. Костычева. Рязань,1998. С. 208Е209
19. Ульянов В.М. Анализ конструкций доильных аппаратов/В.М. Ульянов, В.В. Утолин, Д.Н. Топилин // Сб.науч.тр. аспирантов, соискателей и сотрудников  РГСХА имени П.А. Костычева. Рязань, 1998. С.212Е213.
20. Ульянов В.М. Доильный аппарат /В.М. Ульянов, В.В. Утолин// Сб.науч.тр. аспирантов, соискателей и сотрудников  РГСХА имени П.А. Костычева. Рязань,1998.   С.213Е215.
21. Ульянов В.М. К вопросу извлечения молока из вымени коровы вакуумным доильным аппаратом /Современные энерго-и ресурсосберегающие экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства // Сб. науч. тр., вып. 3, ч.1. Рязань: ФГОУ  ВПО РГСХА, 1999.   С. 73Е76.
22. Ульянов В.М. Классификация доильных аппаратов /В.М. Ульянов, В.В. Утолин, Д.Н. Топилин // Юбилейный сб. науч.тр. сотрудников и аспирантов РГСХА имени  П.А. Костычева, Т.1. Рязань: ФГОУ  ВПО РГСХА, 1999. С.176Е179.
23. Ульянов В.М. Установка Искусственное вымя для лабораторных испытаний доильных аппаратов /В.Ф. Некрашевич, В.М. Ульянов, Д.Н. Топилин, В.В. Утолин // Юбилейный сб.науч.тр. сотрудников и аспирантов РГСХА имени П.А. Костычева,Т.1. Рязань: ФГОУ ВПО РГСХА, 1999. С.179Е181.
24. Ульянов В.М. Анализ особенностей рабочих процессов доильных аппаратов /В.М. Ульянов, И.А. Москвитин. Актуальные проблемы науки в АПК// Материалы межвузовской научно-практ. конф. 3Е4 февраля, Т.2. Кострома, ФГОУ  ВПО УКостромская ГСХАФ, 2000. С.80Е82.
25. Ульянов В.М. Расчет времени включения устройства снижения вакуума под соском/ Д.Н. Топилин. Совершенствование средств механизации и мобильной энергетики в сельском хозяйстве// Сб.науч.тр. 11-ой научно-практ. конф. вузов Поволжья и Юго-Нечерноземной зоны РФ. Рязань: ФГОУ ВПО РГСХА,  2000. С. 308Е310.
26. Ульянов В.М. Вопросы теории вывода молока из вымени коровы при машинном доении /Совершенствование средств механизации и мобильной энергетики в сельском хозяйстве //Сб.науч. тр. 11ой научно-практ. конф. вузов Поволжья и  Юго-Нечерноземной  зоны  РФ. Рязань: ФГОУ  ВПО РГСХА,  2000. С. 302Е306.
27. Ульянов В.М. Пути совершенствования процесса и средств механизации доения коров / В.М. Ульянов, А.Ю. Кирьянов, И.А. Москвитин //Сб. науч.тр. аспирантов, соискателей и сотрудников РГСХА.   Рязань: ФГОУ  ВПО РГСХА, 2001. С. 393Е395.
28. Ульянов В.М. Экспериментальная установка для лабораторных исследований доильного аппарата с ограничителями наползания /И.А. Москвитин. Перспективные разработки в области механизации сельского хозяйства // Сб. науч. тр. Рязань: ФГОУ  ВПО РГСХА, 2001. С.11Е13.
29. Ульянов В.М. Доильный аппарат с манипулятором для линейных доильных установок / В.М. Ульянов, И.А. Москвитин // Труды Х Международного симпозиума по машинному доению сельскохозяйственных животных, первичной обработке и переработке молока. Переславль-Залеский, 2000. М: Россельхоз- академия, 2002.
30. Ульянов В.М. К вопросу расчета доильных аппаратов / В.М. Ульянов, А.Ю. Кирьянов/ Проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции // Сб. материалов научно-практ. конф. инженерного факультета ПГСХА. Пенза: ФГОУ ВПО  УПензенская ГСХАФ, 2002. С. 261Е264.
31. Ульянов В.М. Проведение лабораторных исследований датчиков серии МД /В.М. Ульянов, А.Ю. Кирьянов Материалы Всеросийской научно-практ. конф. инновационные технологии в аграрном образовании,  науке и  АПК  России // Сб. науч. тр. Ульяновск, 2003. С.350Е353.
32. Устройство для снятия доильного  аппарата/ В.М. Ульянов, А.Ю. Кирьянов. Современные перспективы разработки механизации животноводства и пчеловодства// Сб. науч. тр.- Рязань, 2003. С.25Е27.
33. Ульянов В.М. Проведение лабораторных исследований переносного доильного аппарата с манипулятором / В.М. Ульянов, А.Ю. Кирьянов.   Современные перспективы разработки механизации животноводства и пчеловодства // Сб. науч. тр. Рязань: ФГОУ  ВПО РГСХА, 2003. С. 31Е35.
34. Ульянов В.М. Проведение производственных испытаний переносного доильного аппарата с манипулятором / В.М. Ульянов, А.Ю. Кирьянов. Современные перспективы разработки механизации животноводства и пчеловодства // Сб. науч. тр. Рязань: ФГОУ  ВПО РГСХА, 2003. С. 35Е39.
35. Ульянов В.М. Доильный стакан / В.М. Ульянов, В.В. Утолин. Современные перспективы разработки механизации животноводства и пчеловодства // Сб. науч. тр. Рязань: ФГОУ  ВПО РГСХА, 2003. С. 39Е41.
36. Ульянов В.М. Теоретические предпосылки доения коров без применения операции машинное додаивание / В.М. Ульянов, И.А. Москвитин. Современные перспективы разработки механизации животноводства и пчеловодства // Сб. науч. тр. Рязань: ФГОУ ВПО РГСХА, 2003. С.41Е42.
37. Ульянов В.М. Доильный стакан /В.Ф. Некрашевич В.М. Ульянов, В.В. Утолин, И.А. Москвитин //Информационный листок № 61-074-03. Рязанский центр научно технической информации, 2003.
38. Ульянов В.М. Обоснование выбора диаметра отверстий присоска экспериментального доильного стакана /В.М. Ульянов, С.В. Шапошников // Материалы Международной научно-практ. конф. молодых ученых и специалистов Вклад молодых ученых в развитие аграрной науки ХХI века. Рязань: ФГОУ  ВПО РГСХА, 2004. С. 212Е215.
39. Ульянов В.М. Характеристики упругих свойств сосков вымени коровы /В. М. Ульянов, В.А. Хрипин // Сборник научных трудов профессорско-преподавательского состава Рязанской ГСХА. - Рязань: ФГОУ ВПО РГСХА, 2006. С. 443Е445
40. Ульянов В.М. В. А. К вопросу совершенствования доильных аппаратов. / В. М. Ульянов, В. А. Хрипин. Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию со дня рождения профессора В. Г. Кобы, Т. 1 // Сб. материалов Международной конф. - Саратов: ФГОУ ВПО СГАУ, 2006. С. 117Е119.
41. Ульянов В. М. Доильный аппарат с новыми возможностями / В. А. Хрипин, В. М. Ульянов / Роль молодых ученых в реализации национального проекта развитие АПК, ч. 1. // Сб. материалов Международной конф. - М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2007. С. 293.
42. Ульянов В.М. Повышение эффективности машинного доения коров/ Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве// Труды 6-й Международной научно-технической конф. - М.: ГНУ  ВИЭСХ, 2008. С. 132Е134.

В патентах:

43. Доильный аппарат. Патент РФ №2115304 / В.А. Захаров, В.Ф. Некрашевич, В.М. Ульянов, В.В. Утолин . Опубл. 20.07.98, бюл. №20.
44. Доильный аппарат. Патент РФ №2122318 / В.М. Ульянов, В.Ф. Некрашевич, В.В. Утолин, Д.Н Топилин. Опубл. 27.11.98, бюл. №33.
45. Доильный аппарат. Патент РФ №2129777 / В.Ф. Некрашевич, В.М. Ульянов, В.В. Утолин. Опубл. 10.05.99, бюл. №13.
46. Доильный аппарат. Патент РФ №2147174 / В.Ф. Некрашевич, В.М. Ульянов,  В.В. Утолин, Б.В. Ильюшенко. Опубл. 10.04.00, бюл. №10.
47. Доильный стакан. Патент РФ №2147175 / В.Ф. Некрашевич, В.М. Ульянов, Д.Н. Топилин, В.В. Утолин. Ц  Опубл. 10.04.00, бюл. №10.
48. Доильный аппарат. Патент РФ №2147174/ В.Ф. Некрашевич, В.М. Ульянов, В.В. Утолин. Ц Опубл. 27.06.01, бюл. №18.
49. Доильный стакан. Патент РФ №2189134 / В.Ф. Некрашевич, В.М. Ульянов, В.В. Утолин, И.А. Москвитин. Ц  Опубл. 20.09.02, бюл. №26.
50. Доильный стакан. Патент РФ №2215408 / В.Ф. Некрашевич, В.М. Ульянов, А.Ю. Кирьянов А.Ю., И.А., Москвитин. Опубл. 10.11.03, бюл. №31.
51. Устройство для автоматического снятия доильного аппарата. Патент РФ №2203535 / В.Ф. Некрашевич, В.М. Ульянов, А.Ф. Кирьянов, И.А. Москвитин.   Опубл. 10.05.03, бюл.№13.
52. Устройство для отбора первых порций молока. Патент РФ №2155475/ В.Ф. Некрашевич, В.М. Ульянов, В.В. Утолин, Б.В. Ильюшенко. Опубл. 10.09.00, бюл. №25.
53. Доильный стакан. Патент РФ на полезную модель №38530 / В.М. Ульянов,  С.В. Шапошников. Опубл. 10.07.2004, бюл. №19.
54. Доильный стакан. Патент РФ №2246823 / С.В. Шапошников. Опубл. 27.02.2005, бюл. №6.
55. Доильный стакан. Патент РФ №. 2284690 / В.М. Ульянов, М.П. Шульгин, В.А. Хрипин.   Опубл. 10.10.2006,  бюл. №28. 
56. Доильный стакан. Патент РФ на полезную модель №52301 / В.М. Ульянов, М.П. Шульгин, В.А. Хрипин. Опубл. 27.03.2006,  бюл. № 9.
57. Доильный аппарат. Патент РФ №2298916 / В.М. Ульянов, В.А. Хрипин. - Опубл. 20.05.07, бюл. №14. 

_______________________________

Подписано в печать 18.06. 2008 г.

Формат 60x80/16.

Объем 2,0  уч.-изд. л.

Тираж 100 экз.  Заказ №

ИРИЦ  РГСХА

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям