Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ способов и средств защиты молочной железы от вредного воздействия вакуума при холостом доении 11
1.1 Физиологические основы доения коров 11
1.2 Вредное воздействие вакуума на внутренние ткани сосков вымени 15
1.3 Анализ конструкций доильных аппаратов 21
1.4 Устройства защиты вымени от вредного воздействия вакуума 30
1.5 Анализ теоретических исследований по обоснованию конструктивно-технологических параметров доильных аппаратов 36
1.6 Постановка проблемы, цель работы и задачи исследования 41
2. Теоретическое обоснование конструктивно-режимных параметров доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении 44
2.1. Теоретические предпосылки создания доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении 44
2.2 Конструктивно-технологическая схема доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении 48
2.3. Обоснование основных параметров доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении 55
2.3.1. Определение числа пульсаций пульсоприставки 55
2.3.2. Определение диаметра канала корпуса пульсатора 59
2.3.3. Определение уравнения и времени движения клапана 64
Выводы 74
3. Экспериментальные исследования доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении з
3.1. Программа лабораторных исследований 76
3.2. Методика лабораторных исследований 76
3.2.1 Лабораторные установки 76
3.2.2. Методика проверки пригодности использования термостатического сильфона в доильном аппарате с устройством защиты вымени при холостом доении 89
3.2.3. Методика определения времени движения клапана отключения пульсатора 89
3.2.4. Методика определения времени отключения пульсатора и выбора рациональных параметров доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении 91
3.2.5. Планирование многофакторного эксперимента 92
3.3. Результаты лабораторных исследований 95
3.3.1. Результаты проверки пригодности использования термостатического сильфона для доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении 95
3.3.2. Результаты исследований времени движения клапана устройства отключения пульсатора 96
3.3.3. Результаты исследований по проведению многофакторного эксперимента 97
3.3.4. Результаты сравнения теоретических и экспериментальных исследований 102
Выводы 104
4. Производственные испытания и экономическая эффективность применения доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении 105
4.1. Программа и методика производственных испытаний 105
4.2. Внедрение результатов исследований ПО
4.3. Экономическая эффективность применения доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении 111
Выводы 127
Заключение 128
Библиографический список
- Устройства защиты вымени от вредного воздействия вакуума
- Конструктивно-технологическая схема доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении
- Лабораторные установки
- Внедрение результатов исследований
Устройства защиты вымени от вредного воздействия вакуума
В настоящее время на фермах нашей страны используется большое многообразие доильных аппаратов, как импортного, так и отечественного производства. По принципу работы они делятся на: непрерывного отсоса, двухтактные, трехтактные, четырехтактные. В двухтактных доильных аппаратах имеются такт сосания и такт сжатия, в трехтактных - сосания, сжатия и отдыха, в четырехтактных - сжатие, сосание, сжатие, отдых. По характеру силы используемой для извлечения молока, доильные аппараты подразделяются на отсасывающие, выжимающие, выжимающе-отсасывающие. По приводу исполнительного органа они делятся на аппараты почетвертного, попарного и синхронного действия. По режиму работы доильные аппараты бывают с постоянными и регулируемыми параметрами.
Широкое распостранение на молочных фермах нашей страны получили двухтактные отсасывающие доильные аппараты синхронного доения (АДУ-1М, АДУ-1-03, АДС-1, ДА-2М), попарного действия («Нурлат», «Дояр»), трехтактные («Волга», ДА-ЗМ). Также используются зарубежные доильные аппараты System Happel (Германия), Westfalia Surge (Германия), SAC (Дания), DeLaval (Швеция) и других. Исследованием доильных аппаратов отсасывающего типа занимались многие ученые [7, 14, 17, 26, 53, 55, 58,92].
Общая схема двухтактного доильного аппарата представлена на рисунке 1.2. Он состоит из доильных стаканов 1, шланга переменного вакуума 2, коллектора 3, пульсатора 4, молочного шланга 5 и ручки-переходника 6. При работе на доильных аппаратах типа «Волга», ДАС-2В используется доильное ведро для сбора молока, в таком случае не будет ручки переходника 6.
Коллектор 3 доильного аппарата позволяет распределить переменное давление по доильным стаканам, принять от них выдаиваемое молоко и направить его в молокоприемник. В коллекторе установлен клапан, необходимый для отключения доильных стаканов от вакуума при снятии доильного аппарата. [20,53]
Двухтактные доильные аппараты хоть и нашли широкое распространение, им присущи серьезные недостатки. Во время работы есть шанс возникновения опасности быстрого опорожнения молочной цистерны и распространения вакуума на внутреннюю область соска и в полость вымени, что может послужить причиной воспалительных явлений (мастита). В конце доения стаканы нередко наползают на вымя, в результате чего соски втягиваются глубоко внутрь, и тем самым ухудшаются условия как извлечения последних порций молока, так и восстановления нормального кровообращения в сосках. Такие аппараты требуют более высокой классификации операторов машинного доения и строгого соблюдения правил машинного доения.
В.Ф. Королевым, АА. Матюгиным, И.Н. Красновым был разработан трехтактный доильный аппарат. Основным отличием трехтактного доильного аппарата от двухтактного является конструкция коллектора. Коллектор трехтактного доильного аппарата (рисунок 1.3.) дополнительно имеет мембрану 1 и клапан 2. Конструктивная особенность коллектора позволяет при его работе создавать третий такт - отдыха, который наступает, когда пульсатор через распределитель коллектора подает в межстенные камеры атмосферное давление. Мембрана коллектора прогибается, что обеспечивает поступление воздуха под соски вымени коровы. 1, 2, 3, 4 - клапаны; 5, 7 - патрубки; 6 - мембрана; 8, 9 - клапаны Рисунок 1.3. - Схема коллектора трехтактного доильного аппарата
Трехтактный режим работы в большей степени отвечает физиологическим особенностям животного, нежели двухтактные: наличие такта отдыха способствует нормальному кровообращению в сосках и вымени коровы и притоку молока из вышерасположенных частей емкостной системы вымени; доильные стаканы к концу доения почти не наползают на основания сосков; незначительная передержка доильных стаканов на сосках вымени коровы не причиняет заметного вреда животному [20]. По мнению И.И. Архангельского и др. [11] наиболее целесообразно с физиологической точки зрения является доение коров в ведра с применением трехтактного доильного аппарата ДА-ЗМ. При этом они отмечают значительное сокращение числа коров, заболеваемых маститом. Несмотря на положительные стороны, трехтактные доильные аппараты имеют серьезные недостатки, среди которых: увеличение времени доения из-за меньшей скорости выдаивания (по сравнению с двухтактными доильными аппаратами); возможное загрязнение молока из-за подсоса воздуха под соски в такте отдыха; увеличение расхода энергии из-за дополнительного расхода воздуха. При работе трехтактных аппаратов наблюдается мокрое доение, т.е. обмывание сосков молоком, что может спровоцировать возникновение маститов у коров.
Доильный аппарат с пульсоколлектором марки АВЮ 2.940.141, производимый ОАО "Маяк" г. Киров, предназначен для комплектации как доильных установок для доения в молокопровод, так и агрегатов для доения в ведро, имеющих вакууметрическое давление 48 ±1 кПа [20]. Главной особенностью пульсоколлектора является то, что он обеспечивает принципиально новый режим работы доильного аппарата, приближая его к естественному. В связи с этим, во-первых, обеспечивается полное выдаивание молока даже у тугодойких коров, и жирность молока выше на 0,1 %, во-вторых, уменьшается заболеваемость коров маститом в 2 - 4 раза. Пульсоколлектор объединяет в себе три основные части: 1 - коллектора сбора молока (с деталями клапана отключения доильного аппарата); 2 - распределителя с камерой переменного давления для распределения вакуума или атмосферного давления и фильтра с камерой атмосферного давления; 3 - пульсатора с воздушной камерой, с деталями регулировки частоты пульсации.
Конструктивно-технологическая схема доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении
В настоящее время производительность труда оператора машинного доения в значительной степени завит от числа доильных аппаратов с которыми он работает.
Увеличение производительности труда оператора доильной установки при привязном содержании за счет числа доильных аппаратов, обслуживаемых им, приводит к тому, что оператор не успевает выполнять операции в соответствии с правилами машинного доения [96]. Возникают передержки аппаратов на вымени выдоившихся коров и вызванное ими холостое доение, являющиеся главной причиной маститов.
Обычно требуемое число п доильных аппаратов, с которыми одновременно работает оператор, определяют по выражению: Продолжительность tp затрат ручного труда на подготовительно-заключительные операции при доении одной коровы зависит от физиологических требований к доению, типа доильной установки и при расчете может принята постоянной величиной. Так, обзор и анализ литературных данных показал, что затраты труда на проведение подготовительно-заключительных операций на установках для доения со сбором молока в доильное ведро лежит в пределах
Длительность молокоотдачи у коров зависит от их породы, физиологического состояния, периода лактации и других факторов. В связи с тем, что в большинстве случаев на ферме коровы не подобраны по продуктивности, то время машинного доения в группе обслуживаемой оператором машинного доения изменяется в широких пределах от 200 до 600 с и более. Поэтому возникают сложности с выбором времени tM, входящее в формулу (2.1). При использовании среднего значения продолжительности машинного доения коров в группе будут возникать, как передержки аппаратов на вымени, так и простои операторов, что подтверждается практикой.
Поэтому при определении числа аппаратов, с которыми оператор одновременно работает, следует учитывать возможные передержки доильного аппарата на вымени выдоившихся коров.
Однако выражение (2.2) не учитывает то, что время машинного доения у коров колеблется в значительных пределах.
Оценить неравномерность продолжительности выдаивания коров в группе можем коэффициентом к: (2.3) где tMcp среднее время доения коров в группе. Чем выше значение коэффициента к, тем однороднее стадо по продолжительности молокоотдачи, при этом значение коэффициента к 1. Выразив из (2.3) іммин и подставив в (2.2), а также, решая совместно выражения (2.1) и (2.2), получаем:
Заметим, продолжительность передержек доильного аппарата на вымени при доении варьируется в широком диапазоне. Так М.Л. Гордиевских [30] пишет, что при изменении числа аппаратов, с которыми работает оператор машинного доения от одного до шести, продолжительность сухого доения увеличивается от 0 до 90 секунд. С ним солидарны и другие исследователи. Ввиду того, что нас интересует не продолжительность передержек доильных аппаратов, а доля коров в группе подверженных холостому доению, то примем, что
Выбор числа аппаратов п, с которыми одновременно работает оператор, выполняют первоначально по формуле (2.1), а окончательно уточняют по выражению (2.2) при известном коэффициенте неравномерности продолжительности выдаивания к, задавшись долей коров подверженных холостому доению Р.
Как следует из рисунка, даже при работе оператора с двумя доильными аппаратами наблюдается холостое доение у коров в группе обслуживаемой одним оператором машинного доения. Так, при значении коэффициента неравномерности к= 0,9, доля коров в группе подверженных холостому доению 0,05(5%), а при к= 0,6 она достигает уже 0,2 (20%). Это еще раз подтверждает, что при неподобранности коров по продуктивности в группе, обслуживаемой оператором машинного доения, избежать холостое доение не представляет возможности при работе с типовыми доильными аппаратами. Поэтому необходима разработка доильных аппаратов, оборудованных устройством защиты молочных железы от вредного воздействия вакуума при холостом доении, которые применяются на линейных установках с молокопроводом. 2.2. Конструктивно-технологическая схема доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении
На наш взгляд, перспективна конструкция доильного аппарата, который после выдаивания коровы автоматически с заданной задержкой отключает пульсатор на такте сжатия. Сосковая резина, обжимая сосок, препятствует проникновению вакуума в полость молочных цистерн вымени, этим достигается эффект защиты тканей вымени от вредного воздействия вакуума при передержках доильных стаканов.
Нами предлагается такая конструкция доильного аппарата, патент РФ №2493696 (Приложение А)[77]. Отличительной особенностью доильного аппарата является использование термостатического сильфона в приставке, объединенной с пульсатором в едином корпусе рисунок 2.2. В данной конструкции используется термостатический сильфон, заполненный газоконденсатом С5Н12, из терморегулятора, хорошо зарекомендовавший себя в системах отопления.
Лабораторные установки
Задача исследований - определить работоспособность конструкции доильного аппарата с устройством зашиты вымени при холостом доении, проверить экспериментально теоретические зависимости, а также с помощью теории планирования эксперимента выявить рациональные конструктивно -режимные параметры доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении.
В соответствии с поставленными задачами, программа исследований предусматривает: 1. Проверка пригодности использования термостатического сильфона в доильном аппарате с защитой вымени; 2. Определение времени движения клапана в пределах рабочей длины; 3. Определение времени отключения пульсатора и выявление рациональных параметров доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении; 4. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований. 3.2. Методика лабораторных исследований 3.2.1 Лабораторные установки
В настоящее время в системах отопления для поддержания заданной температуры широко применяются термостатические сильфоны, которые обладают простотой и высокой надежностью работы. Поэтому возникла идея использования данного элемента в конструкции устройства защиты вымени при холостом доении в качестве автоматического отключателя пульсатора доильного аппарата. Для лабораторных исследований применялся термостатический сильфон заполненный газовым конденсатом. Внешний диаметр сильфона 0,035м, диапазон работы 6 - 26 С, максимальный ход штока 0,003м. Данные параметры сильфона постоянны.
С целью проверки пригодности применения термостатического сильфона в устройстве защиты вымени доильного аппарата были проведены опыты с помощью приборов, схема которых представленна на рисунке 3.1, а общий вид на рисунке 3.2. Приборы включают в себя термостатический сильфон 1, штангенциркуль 2, емкость с водой 3, ртутный термометр ТЛ-2 4 и секундомер 5.
Для определения времени движения подпружиненного клапана устройства защиты вымени была разработана и изготовлена следующая установка (рис. 3.3). Установка состоит из выпрямителя-стабилизатора 1, коммутационной коробки 2, самопишущего прибора 3. В цилиндре 5 установлены разомкнутые выключатели 8, подключенные проводами 4 через коммутационной) коробку 2 к самопишущему прибору 3. С одной стороны цилиндра жестко закреплена пружина 6 для замедления движения клапана 7, имитируя его работу в предложенном доильном аппарате. Так как ход пружины незначителен 2...3-Ю"3 м, то она практически не будет придавать ускорение клапану, когда он будет двигаться в обратную сторону. Клапан 7 выполнен с удлинителем со стороны пружины, при крайних положениях в цилиндре воздействует на один из выключателей 8, замыкая электрическую цепь. Электрический сигнал через замкнутый выключатель 8 от выпрямителя-стабилизатора 1 поступает к самопишущему прибору 3, стрелка которого отклонится в сторону от своего первоначального положения. Как только клапан отойдет от выключателя 8, электрическая цепь разомкнётся и стрелка вернется в исходное положение. Общий вид стенда для определения времени движения клапана в цилиндре
Для выявления рациональных параметров доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении была использована следующая лабораторная установка, схема которой представлена на рисунке 3.5, а общий вид показан на рисунке 3.6. Лабораторная установка (рис 3.5) включает в себя искусственное вымя 1, испытуемый доильный аппарат 2, регулятор вакуума 3, вакуумметр 4, секундомер 5, электронный термометр КТ300 6, ртутный термометр ТЛ-2 7.
Внедрение результатов исследований
В качестве источника вакуума в лабораторных испытаниях использовалась вакуумная система доильной установки ДАС - 2Б, которая включает в себя насос вакуумный, вакуумметр, регулятор вакуума и часть вакуумпровода с вакуумными кранами.
Методика определения времени отключения пульсатора следующая. Так как необходимо было провести опыты при трех различных температурах в помещении от 5 до 25 С, которую изменяли при помощи кондиционера. Температура внутри помещения проверялась при помощи ртутного термометра ТЛ-2 7 (рис. 3.6). В ходе эксперимента применялся вакуум 44, 47 и 50 кПа, регулируемый при помощи регулятора вакуума 3, величина вакуума контролировалась при помощи вакуумметра 4. Для уменьшения величины перемещения пружины в управляющей камере пульстора, обеспечивали путем изменения усилия создаваемого пружиной, это выполняли подкладывая под нее одну или две прокладки толщиной 1 мм. Величина усилия пружины находилась по известной формуле
Конструкторско-технологические параметры, при которых реализуется работоспособность доильного аппарата с устройством защиты вымени при холостом доении, зависят от рабочего вакуумметрического давления [9,28,42,43,44,53,67,70,88,104] и температуры внутри помещения, а так же от конструктивных параметров устройства защиты вымени и в первую очередь от усилия создаваемого пружиной против движения клапана, установленной в управляющей камере пульсатора.
Важнейшим показателем, влияющим на безопасность молочной железы является время передержки доильного аппарата на сосках вымени выдоившихся коров по завершению доения. Поэтому в качестве критерия оптимизации использовалось время отключения пульсатора после завершения доения, что обеспечивало остановку работы доильного аппарата на такте сжатия.
Диапазон изменения каждого фактора в опытах был установлен из следующих соображений. По данным многих специалистов, занимающихся вопросами в области машинного доения коров, рабочий вакуум должен находиться в пределах 40...55 кПа [7,13,39,46,100,103]. Стандартная величина вакуума, поддерживаемая в большинстве доильных установок, находится в пределах 46...49 кПа. В низковакуумных доильных аппаратах величина рабочего вакуума составляет 40...44 кПа. Для трехтактных доильных аппаратов, величина рабочего вакуума составляет 53...55 кПа. Повышение вакуумметрического давления вызвано увеличенным расходом воздуха трехтактными доильными аппаратами, из-за впуска воздуха в подсосковую камеру доильного стакана во время такта отдыха. Так же есть ряд доильных аппаратов в которых используется "щадящий" вакуум величиной 33 кПа. Но по данным некоторых ученых их лучше использовать по завершению доения для раздоя коров после отела, потому что использование низкого вакуума не позволяет быстро выдоить животное, что в итоге приводит к торможению рефлекса молокоотдачи из-за возникающих у коров болевых ощущений [72]. Так же ряд ученых считает, что нежелательно увеличивать рабочий вакуум свыше 50...52 кПа [21, 22, 23, 28].
В связи с этим в экспериментах вакуумметрическое давление изменялось в пределах 44... 50 кПа.
Значительное воздействие на работу разрабатываемого доильного аппарата оказывает температура внутри помещения, где происходит доение животных. Так как чем ниже температура t, тем быстрее охладится термостатический сильфон и тем быстрее отключится пульсатор и наоборот. Поэтому необходимо выявить рабочий диапазон t в которых будет стабильно функционировать разрабатываемый доильный аппарат.
По данным ученых влияние микроклимата на организм животных складывается из комплексного действия всех его факторов, но одно из особых зоогигиенических значений имеет температура внутри помещения. [9, 28,104]
Температура воздуха оказывает значительное влияние на уровень теплопродукции животных и процессы теплообмена организма с окружающей средой (воздуха и окружающих поверхностей). Для различных групп животных имеется своя зона термической нейтральности (теплового безразличия), в пределах которой обмен веществ сохраняется па постоянном уровне. Особенно отрицательно влияет на организм крупного рогатого скота повышение температуры воздуха выше верхнего оптимального предела. Наиболее чувствительны к высокой температуре высокопродуктивные коровы. Установлено, что для молочных коров нижняя граница оптимальной температуры в помещении равна +5 С, а верхняя +25 С. [5,9,28,70,104]
Поэтому в экспериментах температура внутри лаборатории изменялась в пределах 5...25 С. Третий фактор оказывающий влияние на время отключения пульсатора является усилие создаваемое пружиной. Чем выше усилие пружины, тем больше времени потребуется клапану для перемещения и перекрытия канала управляющей камеры пульсатора, обеспечивающих его остановку на такте сжатия. Параметры пружины привязаны к геометрическим размерам управляющей камеры пульсатора и установленного в ней клапана. Поэтому усилие пружины Fynp можно менять при помощи ее предварительного сжатия, подкладывая под нее прокладки, например толщиной 1 мм, тем самым изменяя ее абсолютное удлинение (х). Тогда из формулы при известном коэффициенте жесткости (кп) можно определить силу упругости пружины