Введение к работе
Актуальность темы. В результате аграрной реформы в сельском хозяйстве и в других отраслях агропромышленного комплекса страны произошли значительные социально-экономические преобразования. Однако за годы реформирования заметно сократилось поголовье крупного рогатого скота, свиней и птицы. Восстановление поголовья коров напрямую связано с эффективностью искусственного осеменения животных, так, например, выход телят на 100 коров в Краснодарском крае уменьшился с 86 голов в 1990 году до 75 в 2007 году. Такое положение в животноводческой отрасли не позволяет наращивать производство молока и говядины в необходимых объемах.
Разразившийся мировой кризис экономики ставит страну ещё в большую зависимость от поставок продовольствия, особенно мясомолочных продуктов. Для увеличения производства молока и говядины определяющая роль отводится селекционно-племенной работе, повышению качественных показателей искусственного осеменения животных, своевременной подготовке молодняка к машинному доению с использованием современных электротехнологических методов и технических устройств.
Использование энергии электромагнитных полей различной частоты существенно дополняет возможности увеличения производства сельскохозяйственной продукции. Широкое применение аппаратов электромагнитного воздействия на объекты животного и растительного происхождения в сельскохозяйственном производстве способствует увеличению продуктивности животных и росту урожайности, получению высококачественной конечной продукции. Экономический эффект от внедрения электротехнологических установок достаточно высок из-за небольших энергетических затрат (потребляемая мощность до 1кВт), простых и надежных в эксплуатации технических конструкций самих аппаратов. Наши исследования продолжили работы М.Г. Ковалева – автора специальных устройств с постоянными магнитами для стимуляции спермиев после размораживания.
Исследования по теме диссертации выполнялись в рамках научно-исследовательских работ в соответствии с госбюджетной темой ФГОУ ВПО «Кубанский ГАУ» на 2006-2010гг. (№ГР01200606851).
Рабочая гипотеза. Под воздействием силы Лоренца в процессе обработки спермо-доз возникает дополнительная составляющая электромагнитного поля, создающая движение жидкости разбавителя навстречу спермиям. Таким образом, увеличивается число спермиев, двигающихся прямолинейно поступательно, что позволит сократить количество спермо-доз для плодотворного осеменения животных.
Целью диссертационной работы является определение места и методов электрофизического воздействия на сперму животных в технологической цепочке воспроизводственного цикла КРС, разработка комплекса электротехнологических устройств для повышения качественных показателей спермо-доз и сокращения времени восстановления молочной продуктивности коров после отёла.
Задачи исследования.
-
Разработать комплексную электротехнологию и определить её место в составе общей технологии воспроизводства КРС на основе искусственного осеменения коров и тёлок, установить необходимые параметры воздействия, подлежащие исследованию.
-
Получить математическую модель, определяющую диапазон электромагнитных сил, действующих в растворе спермы, в зависимости от конструктивных и физических факторов.
-
Разработать математическую модель электромагнитных сил индуктора, учитывающую его основные параметры, действующие на спермии.
-
Установить необходимые параметры электромагнитных полей (ЭМП), требующие контроля и измерения. Разработать структурную схему прибора цифровой оценки электромагнитных характеристик с математическим обоснованием основных блоков.
-
На основе многофакторного планирования экспериментов получить регрессионные модели влияния электромагнитного воздействия на качественные показатели спермы, позволяющие определить оптимальные параметры электротехнологической обработки в зависимости от места применения в общем технологическом процессе воспроизводства КРС.
-
Спроектировать и изготовить устройства электротехнологического воздействия с заданными параметрами. Проверить их работоспособность в лабораторных условиях, внедрить на племенных предприятиях и животноводческих фермах с оценкой целесообразности их практического применения.
-
Произвести экономическую оценку эффективного использования устройств электромагнитного воздействия на сперму быков-производителей на племенном предприятии и пунктах искусственного осеменения животноводческих ферм.
Объекты исследования – технологические процессы в воспроизводстве КРС, лечебно-терапевтическое воздействие электрического тока при профилактике маститов и подготовке первотёлок к раздою, растворы спермо-доз, опытные образцы разрабатываемых электротехнологических устройств для искусственного осеменения и стимуляции животных с контролем параметров обработок.
Предмет исследования – электрофизические методы воздействия на биологические объекты с математическим моделированием динамических процессов, происходящих в сперме; терапевтическое воздействие устройств на биологически активные точки животных; зависимости электромагнитных сил от параметров индуктора и физических свойств растворов.
Методологическая база и методы исследования. В основу конструирования устройств электрофизического воздействия и средств диагностики рассматриваемых объектов, обеспечивающих условия максимальной реализации своего генетического потенциала для увеличения производства животноводческой продукции, положен методологический прием, где сами объекты и технология их обработки рассмотрены как сложные системы, в которых происходят скоротечные по времени изменения параметров жизнедеятельности, определяющие в итоге энергетические и экономические показатели производства конечной продукции. Поставленные задачи решались с использованием методов схемотехники, теории исследования электромагнитных полей, теории исследования объектов животного происхождения, теории вероятности и математической статистики, теории корреляционного и регрессионного анализов, методов активного планирования эксперимента.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- определено место комплекса электротехнологических устройств в структуре воспроизводства КРС при искусственном осеменении животных и выделены основные параметры электрофизических воздействий, что позволяет применять разработанные аппараты, не нарушая общий технологический процесс;
- получена математическая модель электромагнитных сил, действующих в растворе из спермы и разбавителя для установления зависимости предельной концентрации разбавителя в общем объеме при различных значениях магнитной восприимчивости разбавителя и спермий животных;
- определена математическая модель влияния параметров индуктора на силы, действующие на спермии, с учетом их пространственного расположения, направления вращения магнитного поля от отдельных гармоник и количества пар полюсов обмотки, на основании которой предложена рациональная конструкция индуктора с необходимостью метрологической оценки уровней воздействия на конкретные биообъекты;
- теоретически обосновано использование метода быстрого преобразования Фурье в приборе цифрового контроля гармоник пространственного распределения электромагнитного поля, что позволяет с помощью современных процессоров производить расчёты и измерения в реальном времени.
Практическая значимость и ценность работы заключается в следующем:
1. Представлено несколько оригинальных конструктивных решений аппаратов и устройств, предназначенных для воздействия электромагнитными полями различной интенсивности на сперму животных, растворы и жидкости, новизна которых подтверждена 16 патентами на изобретение.
2. Установлены оптимальные параметры воздействия электромагнитных полей на сперму быков-производителей для улучшения качественных показателей спермо-доз животных, используемых на племенных предприятиях и на пунктах искусственного осеменения животноводческих ферм.
3. Разработан и изготовлен комплекс электротехнологических устройств, используемый в цикле воспроизводства КРС и подготовке телят основного стада, который позволяет повысить качественные показатели искусственного осеменения коров и подготовки первотёлок для дойного стада, адаптированных к машинному доению.
4. Экспериментально, с помощью разработанного прибора цифровой оценки сигналов, получена конфигурация пространственной структуры с семейством составляющих электромагнитного поля активной части индуктора для обработки спермы быков-производителей. Предложенная методика расчёта источника излучения может использоваться в целях оптимизации характеристик подобных аппаратов в зависимости от их назначения.
5. Выявлены особенности работы электрофизических аппаратов, используемых для профилактики мастита у коров и первотелок при машинном доении, которые основаны на электростимуляции высокочастотными импульсами и модулировании низкочастотной составляющей с заданной частотой следования импульсов, что позволяет в более короткие сроки восстановить молочную продуктивность коров.
6. Подготовлены рекомендации для сельскохозяйственных предприятий по применению и инструкции по эксплуатации разработанных в лаборатории университета аппаратов и устройств, использующих энергию электрических и магнитных полей.
Изданы монографии: «Методология проектирования устройств и оценка электрофизического воздействия на биологические объекты сельскохозяйственного производства» и «Электротехнологические методы и средства повышения эффективности искусственного осеменения коров и восстановления их молочной продуктивности после отёла», предназначенные для научных и инженерно-технических работников, студентов, аспирантов и преподавателей высших учебных заведений.
Реализация и внедрение результатов работы.
В департамент сельского хозяйства администрации Краснодарского края переданы результаты научных исследований по данной тематике, разработаны и утверждены рекомендации по применению и инструкции по эксплуатации комплекса устройств электрофизического воздействия на животных в сельскохозяйственных предприятиях АПК.
В конструкторское бюро производственного объединения «Протон», г. Харьков, передана техническая документация и налажено промышленное производство приборов Стимул-2 и Стимул-3, используемых в системе мероприятий по борьбе с маститами в хозяйствах края.
Разработаны, изготовлены и более 10 лет успешно эксплуатируются аппараты магнитной обработки спермы быков-производителей (АМОБО), эмбрионов яиц птицы, семян растений, спиртовых растворов и воды с цифровым контролем воздействующих параметров на государственном племенном предприятии «Гулькевичское» Гулькевичского района, на птицефабриках Выселковского, Кореновского и Динского районов Краснодарского края.
Материалы результатов научно-исследовательской работы используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» при изучении дисциплин: «Электротехнология», «Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства».
На защиту выносятся:
- математическая модель электромагнитных сил, действующих в растворе из спермы и разбавителя, устанавливающая зависимости предельной концентрации разбавителя в общем объеме при различных магнитных восприимчивостей разбавителя и спермий животных;
- математическая модель влияния параметров индуктора на силы, действующие на спермии, с учетом их пространственного расположения, направления вращения магнитного поля от отдельных гармоник и количества пар полюсов обмотки;
- теоретическое обоснование метода быстрого преобразования Фурье в приборе цифрового контроля гармоник пространственного распределения электромагнитного поля;
- конструктивные решения аппаратов и устройств, предназначенных для воздействия электромагнитными полями различной интенсивности на сперму животных, растворы и жидкости;
- результаты экспериментальной проверки теоретических положений и регрессионные модели по оптимальным параметрам электромагнитной обработки спермо-доз быков;
- результаты экономической эффективности используемого аппарата электрофизического воздействия на сперму животных.
Апробация работы. Основные результаты исследований и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:
- на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО КубГАУ по энергосберегающим технологиям (г. Краснодар, КубГАУ, 1998…2007);
- на международном симпозиуме по электротехнологии (г. Кишинев, 1998г.);
- на 1-й и 2-й Российской научно-практической конференциях «Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК» (г. Ставрополь, 2001г., 2003г.);
- на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы оптимизации затрат при передачи и распределении электрической энергии» (с.Дивноморское, 2003г.);
- на Всероссийских научных конференциях «Разработка новых южнороссийских технологий и технической базы для возделывания зерновых в зоне засушливого земледелия» (г. Зерноград, 2004-2005гг.);
- на международной научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии. Проблемы их эффективного использования (г. Волгоград, 2006г.).
На IV Московском международном салоне инноваций и инвестиций (ВВЦ, г. Москва, 2004) получена золотая медаль.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 50 печатных работах, включая 2 монографии и 16 патентов на изобретения. Девять научных работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, библиографического списка (314 наименований) и приложения. Диссертация изложена на 269 страницах, включая 27 таблиц и 88 рисунков.
