Машинногодоения коров путемразработки стимулирующе-адаптированныхдоильных аппаратов и манипуляторов

Допустим, чтомолокоотдача прекратилась одновременно унескольких коров в группе, обслуживаемойдояром. В виду того, что оператородновременно работает с n доильнымиаппаратами и количество одновременнодоящихся коров равно их числу, то дояр небудет успевать их вовремя обслуживать.Поэтому продолжительность передержек аппаратов на выменивыдоившихся коров и соответственнодлительность холостого доения можнооценить разностью:

(2)

где продолжительностьмашинного выдаивания i-коровы.

Очевидно, если , то происходит холостое доение уi-коровы.Неравенство будет выполняться, еслипродолжительность машинногодоения i-коровы

,где среднее время машинного доения коров вгруппе. Преобразование

выражения (2) приводит кформуле:

(3)

гдеР доля коров встаде, подверженная холостомудоению, ; N,соответственно общеечисло коров в группе иподверженных сухому доению, гол.

Формула (3) справедливапри n>1(так как при одном доильном аппаратепередержка на вымени невозможна) ипозволяет приближенно оцениватьреальную

долю коров в группе,обслуживаемых дояром, подверженныххолостому доению от числа доильныхаппаратов, с которыми одновременно онможет работать.

Так по существующейтехнологии привязного содержания с доением встойловыймолокопровод холостомудоению будут подвержены до 33% коровстада (рис. 2), если оператородновременно работает с тремя аппаратами.Заметим это лишь приближенные данные, новесьма наглядно раскрывающие сутьпроблемы.

Попытка повысить производительностьРисунок 2 Зависимость доли коров в группе труда за счет числа доильных аппаратовподверженных холостомудоению от количества приводит кувеличениюколичества

доильных аппаратов уоператоракоров подверженныххолостому доению.

Одновременнос передержками доильныхаппаратовна вымени одних коров группы, оператор при обслуживании частиживотных стада имеет простои.Эта противоречивость является следствиемизменениядлительностимолокоотдачиу коров, что отмечается многими исследователями. Основным путем исключения передержекявляется то, что сразу после выдаиваниякоровы необходимо снимать доильныйаппарат с вымени.

При разработкесовершенных техни-ческих средств доениякоров (рис. 3) основ-ным кри­терием являетсясоответствие разра-батываемогооборудования физиологии жи-вотного.

Соз­дание доильногоаппарата, способного вызывать рефлекс молокоотдачи,поддерживать его на необходимом уровне и обеспечивать чистоеизвлечение молока из вымени без проведенияопе­рациимашинного додаивания этоосновная задача. При совер-шенствовании доильной техники следуетобращать на то, чтоона должнаисключатьнегативные причины,связанные сдояром и влияющие на эффективностьвыдаивания коров. Поэтому необходимы автоматизирован-Рисунок 3 Схема совершенствования ные доильные аппараты,позволяющие выпол-

процесса машинногодоения нять вместо дояра ряд операций: слежение за доением, своевременноеотключениеаппарата иего снятие с вымени после доения. Это не только повышаетпроизводительностьтруда операторов и снижает трудоемкость извлечения молока у коров, но что не маловажно, исключает передержкиаппарата на вымени исвязанное с ними “холостоедоение” и снижает вероятность возникновениямастита у коров.

Анализируя возможностисокращения продолжительноститехнологических операций, можно сказать,что, исключив из технологии толькомашинное додаивание с обеспечениемполного выдаивания коров и выполнивавтоматическое снятие подвесной частидоильного аппарата, можно сократитьручные операции на20…40 с. При разработкеаппарата стимулирующего рефлексмолокоотдачи дополнительно сокращается до 20 сручного труда. Это позволит довестипродолжительность ручныхопераций, затрачиваемых дояром на корову до 1,2…1,4 минут. Тогда оптимальное число доильных аппаратов при среднемвремени машинного выдаивания коров5…7 минутсоставит 4…5 на оператора.Это повыситпроизводительность оператора в 1,25…1,4 раза ипозволит выдаивать 30…35 и более коров в час.

В третьем разделе «Теоретическиеосновы создания технических средствдоения» представлены теоретическиепредпосылки создания технических средств извлечения молока,позволяющих усовершенствовать технологиюдоения коров при привязном содержании.Предложенытеоретические модели извлечения молока из вымени короввакуумным доильным аппаратом и удлинения сосков при доении.Рассмотрено взаимодействие доильногостакана с соском. Приведены конструкции стимулирующе-адаптированных доильных аппаратов и манипуляторов.Представлены схемыисполнительных механизмовдоильногоаппарата, атакже аналитические зависимости длярасчета конструктивно-режимных параметров техническихсредств извлечения молока.

Процесс выведениямолока из вымени коровы вакуумным доильнымаппаратом подчиняется общим правиламтечения жидкостей. В момент открытияканала соска с наступлением такта сосанияскорость течения струи минимальная, адавление молока на стенки соскамаксимальное. С увеличением скороститечения струи давление соответственноуменьшается, поскольку потенциальнаяэнергия струи переходит в кинетическую.Скорость увеличивается до тех пор, покадавление струи уравновесится давлением,препятствующим открытию канала соска.Из-за пульсирующего вакуума с наступлениемтакта сжатия вытекание молока прерывается.Наблюдается неустановившееся движениемолока. Допустим, что сосок вымени имеетцилиндрическую форму спостоянным внутренним сечением F, а заканчиваетсясосок молоковыводящим каналом с сечениеf. Предположим, чтомолоко из соска выводится так же, какжидкость истекает черезнасадок. Применим уравнение Бернулли длянеустановившегося движения молока. Сечение 11 (рис. 4) выберем поначалу цистерны соска, асечение 33 пообрезу конца.

Рисунок 4 Схема к определениюскорости струи молока

Для выбранных сеченийимеем:

,(1)

где , средниескорости молока в сечениях 1-1и 3-3, м/с;, давление молока всечениях 1-1 и 3-3, Па; высота молочногостолба между сечениями, м; плотностьмолока кг/м3;g ускорениесвободного падения, ; частнаяпроизводная изменения скорости молока,м/с2; dh изменение высотыперемещаемого молока, м; потери напора при движении молока пососку, м.

После преобразованийуравнения (1) приводится к виду:

,(2)

где и .

Интегрируя выражение (2),получаем:

(3)

Теоретически пристремление времени t движение молока навыходе из соска приближается кустановившемуся, со скоростью . После замены постоянных а и bв формуле (4) их значениями с учетомвышесказанного получим:

(4)

В действительностипереходной режим длится оченьограниченный отрезок времени. Допустим,что длительность переходного режиматечения молока в соске оцениваетсявременем, в течение которого скоростьменяется от 0 до 0,99.

Тогда продолжительностьнеустановившегося режима течениямолока

(5)

Приняв значения величин: , и подставив вформулу (5), получим с. Вдоильном аппарате при продолжительности цикла в 1 с, тактсосания= 0,6…0,7 с, время неустановившегося движенияпотока молока в отдельно взятом тактесосания будет лишь 1,5 % от егопродолжительности. Практически с преодолением сопротивления сфинктера иоткрытия молоковыводящего канала сосканаступаетустановившееся движение. Поэтому дляопределения скорости истечения молока изсоска вымени можно использовать формулу (4).

С учетом действующих силв молоковыводящий канале (рис. 4,выносной элемент А), выражение (4) приметвид:

(6)

где , соответственноцистернальное давлениемолока, величина вакуума

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

Скорость выведениямолока зависит от его давления в цистернежелезы, вакуума в подсосковой камередоильного стакана, тонуса сфинктеравыводного канала и от размеров соска.Зави-симость1 (рис. 5)построена по формуле (6). Кривая 2 по опытным данным приисследовании аппаратаАДУ-1М на установке“искусственное вымя”, а 3 порезультатамреальной дойки(разовый удой8,5 кг). Зависимость 1 практически

копирует кривую 2. ОднакореальнаяРисунок 5 Зависимостискоростиструи скоростьмолока при выходе из соска

молока отвакуума рв: 1теоретическая; значительно ниже. Очевидно, что аппа-2 экспериментальная; 3 фактическая рат вызывает придоении торможение

рефлекса молокоотдачи. Чем ближе приближается кривая 3 к 1, тем лучшедоильный аппарат адаптирован к организмуживотного и тем быстрее и полнее будетвыдаиваться корова.

Соски вымени при доениизначительно удлиняются, поэтому припроектировании доильной техники необходимзакон изменения их размеров. Пусть сосок представляетполый цилиндр, на боковые контурыкоторогодействуют нормальные давления и , а на торцевуюплощадь вакуум . Выражение дляопределения кратности удлинения сосковбудет:

.(7)

где упругая постоянная,; E модуль упругости,Па; m коэффициент поперечнойдеформации; l начальная иконечная длина соска, м; , соот-

ветственно начальныйрадиус наружный соска и его внутреннейполости, м.

Так как удлинениесосков , тодлина соска будет .

На рисунке 6 приведеныграфическиезависимости изменениядлины сосков(l0 =60…65 мм)при доении по результатам разныхисследовате-лей. Зависимость 1построена наосновании исследованийВ.Ф. Ко-ролева, 2 поопытным данным Н.И. Проничева;3 поэмпиричес-кой формуле И.Н. Краснова,а кри-

вая 4 поформуле (7). Как видно

из графиков сходимость зависимо-

сти 4достаточна дляиспользова- Рисунок 6 Изменение длины l соскавымениния результатов исследований при

примашинном доении от величины вакуума рв проектирования доильной техники.

Теоретическоеобоснование доильного аппаратастимулирующего действия

Полноценный рефлексмолокоотдачи достигается правильностьюпроведения подго­товительных операций перед доением.Особое значение привыдаивании молока из вымени доильнымаппаратом приобретает массаж вымени. Ондолжен проводиться до момента припускакоровой молока. Анализ работ показал, чтомассаж вымени во время машинного доенияможет оказать отрицательное влияние намолочную железу. Многиеисследователипредлагают процесс выведения молока из вымени коров разбить на отдельные стадии

пографику интенсивности молоко-отдачи. Так, исходя изсказанного, можно выделить трифазы (рис.7).

Для каждой фазы выведения молока должен быть оптимальныйрежим

Рисунок 7 Основные режимыдоенияработы аппарата. После надевания

стаканов доильный аппа­рат должен в фазе А втечение 20...30 спроводитьусиленные мас­сирующие воздействия на соски вымени.При возрастании интенсивности молокоотдачи до 0,45…0,5 кг/мин, аппарат переходит врежим работыдля фазыБ, т.е. происходитинтенсивноевыведение молока. При снижении молокоотдачи до 0,5…0,4 кг/миннаступает фаза В машинное додаивание сзаключительным массажем сосков вымени.

Нами разработанаконструкция доильного аппарата стимулирующего действия (рис. 8), работающего по рассмотренномурежиму, новизна которогоподтверждена патентом РФ на изобретение№2115304.Доильный аппарат суправляемой стимуляцией (далее ДАУС) имеетстака­ны 1,коллектор 2, основной пульсатор 3,работающий с частотой 1 Гц, стимули­рующий пульсатор 4функционирующий с частотой пульсаций 8…10Гц, молокосборник 5 с отключающимустройством 6 в виде ковша с клапаном.

А.Б.

1 доильныйстакан;2коллектор; 3 основной пульсатор; 4 стимулирующийпульсатор;

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

Рисунок 8 Доильный аппаратс управляемой стимуляцией: принципиальнаясхема - А;

общий вид – Б

В доильном аппарате ДАУС в первоначальный изаключительный периоды доения основной истимулирующий пульсаторы работаютсовместно. Из-за подачи стимулирующимпульсатором в межстенную камеру стакановнезначительных порций воздуха с частотой 8…10 Гц притакте сосания, средняя величина вакуума вэтой камере меньше чем в подсосковой.Поэтому наблюдается полусжатое состояниесосковойрезины с микро­колебаниями ее стенок с амплитудой1..2 мм (рис. 9 А). Это позволяет массировать соскивымени до начала интенсивной молокоотдачии по ее завершению, снижатьнаползание стаканов и вредное воздействиевакуума на соски.

А.Б.

атмосферное давление; вакуум вподсосковой камере; изменениедавления в межстенной камере; продолжительность такта сосания; продолжительность такта сжатия

Рисунок 9 Схема работыдоильных стаканов и осциллограммадавлений в межстенныхкамерах доильных стаканов в начальной изаключительной стадии доения (А) и в основноевремя доение (Б)

При интенсивноймолокоотдаче аппарат ДАУС переходитна двухтактный режимработы. Это позволяет заболее короткое времяизвлекать основного количества молока. Сосковая резина втакте сосания не сжимает сфинктер соска и поэто-

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

Время, затрачиваемое наподготовительные операции должнонаходиться в

пределах 45…60 с. Поэтомувсе виды стимуляции молокоотдачи переддоением не должны превышать подлительности скрытого периодамолокоотдачи.

Исходя из конструкциидоильного аппарата ДАУС, время работыстимулирующего пульсатора t равнапродолжительности ,определяется наполнением ковша и припостоянных его геометрических размерахзависит от интенсивности выведениямолока и площади отверстия в ковше.

Рассмотрим действующиесилы на систему ковш–клапан (рис. 10).

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

(8)

где соответственнорасстояние от точки поворота до центратяжести ковша

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

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

5 молокоприемник; 6 патрубокРисунок 11 Схема к расчетувремени

Рисунок 10 Схемаотключающего устройствазаполнения ковша

Сделав допущение, что молокоосуществляет косой удар о дно ковша, тосила от струи молока, действующей наковш:

(9)

где плотность молока,; площадьпоперечного сечения входного молочногопатрубка крышки ведра, ; скорость истеченияструи молока, ;

уголнаклона молочного патрубка, град.

Силу тяжести молока определим извыражения:

(10)

где площадь зеркаламолока в ковше, ; уровень молока вковше, 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 ипереместится в крайнее нижнее положении истимулирующий пульсатор отключится.

Рассмотрим процесснаполнения до уровня h. Выделим в ковше элементарный объемжидкости на расстоянииh от отверстия(рис. 11). Элементарный объем жидкости вковше имеет вид

Время заполнения ковшабудет

(12)

где ,объемная производительностьсоответственно на притоке молокаи

вытекании черезотверстие, /с.

Количество жидкости вытекающейчерез отверстие

(13)

где коэффициентрасхода, .

Объемная подача молока в ковшзависит от интенсивностимолокоотдачи коровы. Её можноопределить исходя из зависимости (6). Проще получить зависи-

мость на основании экспериментальных данных.

Как видно из рисунка(рис. 7, зона А) интенсивность молокоотдачиза время латентного периода повышаетсяравномерно, практически линейно, тогда наэтом участке выражение для притока можнозаписать:

(14)

гдеn1 коэффициент пропорциональности, м3/с2;t продолжительностьдоения, с.

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

(15)

Решение уравнения имеет вид: