Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 10
1.1. Технологические особенности и зоотехнические требования к процессу подмывания вымени коров, системам и оборудованию 10
1.2. Анализ систем и оборудования подмывания вымени коров 17
1.3. Обоснование исходных требований к проектированию системы подмывания вымени коров 33
1.4. Выводы по главе. Цель и задачи исследования 36
2. Теоретические исследования процесса подмьюаниявыменикороввстойлахкоровника ... 39
2.1. Анализ потоков, характеризующих работу системы подмывания вымени коров 39
2.2. Обоснование схемы размещения элементов системы подмывания вымени коров в стойлах 44
2.3. Обоснование вместимости системы подмывания вымени коров в стойлах 48
2.4. Обоснование параметров подачи воды в системе подмывания вымени коров 54
2.5. Анализ работы чаши подмывания вымени 60
2.6. Теплопотери в системе подмывания вымени коров 64
2.7. Закономерности удаления загрязненной воды после подмывания вымени коров 67
2.8. Обоснование параметров подвески подмывочного устройства... 69
Выводы по главе 72
3. Методика экспериментальных исследований по обоснованию параметров системы подмывания вымени коров 74
3.1. Методика сбора и обработки экспериментальных данных 74
3.2. Методика исследования характеристик технологических потоков 76
3.3. Методики обоснования основных параметров системы 77
3.3.1. Обоснование параметров накопительных емкостей для жидкости 78
3.3.2. Обоснование параметров напорного устройства системы... 80
3.3.3. Методика исследования поведения коровы в процессе подмывания вымени 80
3.3.4. Методика определения гидравлических потерь и расхода воды в элементах системы 81
3.3.5. Методика определения теплопотерь в питающем трубопроводе 86
3.3.6. Методика определения параметров троса подвески подмывочного устройства 87
3.3.7. Методика определения качества мойки поверхности вымени коров 89
3.4. Методика инженерного расчета системы подмывания вымени коров 90
4. Результаты экспериментальных исследований по обоснованию параметров системы подмывания вымени коров 94
4.1, Характеристика потоков требований на подмывание вымени коров 94
4.2, Параметры накопительных емкостей для жидкости 101
4.3. Параметры напорного устройства 105
4.4. Результаты исследования расхода воды и потерь напора в системе ПО
4.5. Характеристики теплопотерь в системе подмывания вымени коров 114
4.6. Влияние системы подмывания вымени на поведение коров 117
4.7. Обеспечение качества очистки вымени коровы 119
4.8. Параметры подвески подмывочного устройства 120
4.9. Синтез системы подмывания вымени коров в условиях привязного их содержания 122
Выводы по главе 126
5. Экономическая эффективность использования системы подмывания вымени коров 128
6. Общие выводы 139
Литература 140
Приложения 151
- Обоснование исходных требований к проектированию системы подмывания вымени коров
- Закономерности удаления загрязненной воды после подмывания вымени коров
- Методика определения гидравлических потерь и расхода воды в элементах системы
- Характеристики теплопотерь в системе подмывания вымени коров
Введение к работе
Важнейшей проблемой механизации и автоматизации молочного скотоводства продолжает оставаться доение коров. Многие хозяйства еще не добились преимущества использования интенсивных факторов в развитии молочного скотоводства. Зачастую этому мешает отсутствие современной техники по обслуживанию молочных ферм. Существующая техника не позволяет полностью использовать потенциальные продуктивные возможности животных 1X1.
Получение доброкачественного молока на фермах и доставка его в свежем виде потребителю имеют не только хозяйственное, но и большое социальное и государственное значение /2, 3/.
Молоко является массовым продуктом питания населения, особенно детей. На пути к потребителю оно подвергаетЪя многим операциям (выдаивание, фильтрование, переливание, охлаждение, транспортировка и т. д.), при осуществлении которых в молоко попадают различные микробы.
Во время доения микробы попадают в молоко с покровов животного, с рук и одежды доярки или других лиц, соприкасающихся с молоком, с первыми порциями выдоенного молока, из воздуха скотного двора и плохо вымытой посуды.
Количество микробов в 1 литре свежевыдоенного молока, в зависимости от условий его получения, может колебаться от сотни до нескольких миллионов /2/.
Молоко, содержащее много микробов, быстро портится. При наличии болезнетворных микробов молоко, доставляемое потребителю, может служить источником распространения заразных болезней /3/.
Поэтому в процессе доения коров предусматривается операция подмывания вымени. При привязном содержании коров эта операция в основном осуществляется вручную.
Подмывание как и массаж вымени (подготовка вымени к доению) необходимо и с позиции создания у коров рефлекса молокоотдачи. От качества этих операций зависит не только продуктивность животных, но и качество получаемого молока. Чтобы вызвать рефлекс молокоотдачи, надо выполнить ряд целенаправленных приемов, которые должны быть однотипными, из раза в раз повторяющимися с большой точностью и отвечающими физиологическим стереотипам животных /4, 5,6, 7,8,9,10,11/. Именно на такие действия и срабатывает полноценный рефлекс молокоотдачи. И если это достигнуто, то ни в каких последующих манипуляциях оператора животное уже не нуждается.
Основным источником повышения производительности труда в машинном доении коров является сокращение и исключение затрат времени на ручные операции. Затраты труда на ручные операции оператора машинного доения включают подмывание (20...30 %), массаж вымени (50...40 %) и машинное додаивание (28...30 %)/8/.
У нас в стране и за рубежом наряду с ручным способом подмывания вымени наиболее распространенным механизированным способом подготовки коров к доению является гидротепловая обработка вымени из душа теплой (40...45 С) водой или дезинфицирующим раствором с применением ручного или механизированного массажа молочной железы. Однако, существующие разработки по механизации процесса подмывания вымени коров оказались малоэффективными из-за низкой надежности их работы, несоответствия физиологическим и зоотехническим требованиям, а также несоответствия протекания процесса из-за нерешенности вопроса механизированного сбора и утилизации отработанной воды.
На данный период недостаточно изучены режимы работы устройств для подмывания вымени перед доением, особенно при стойловом содержании коров, вопросы использования мобильных средств для этих целей, подачи воды к разбрызгивателям и отвода загрязненной воды после очистки вымени.
На практике распространен метод очистки вымени коров, при котором из одной емкости (переносного ведра) подмывается до 10 животных. Это не обеспечивает достаточной чистоты вымени и способствует передаче болезнетворных бактерий от одного животного к другому. Затраты ручного труда при этом значительны.
В связи с этим требуется всестороннее исследование процесса подмывания вымени коров и обоснование режимных и конструктивных параметров подмывочных систем применительно к животноводческим объектам с привязным содержанием коров.
В диссертации оптимизированы рабочие режимы и параметры систем и средств для подмывания вымени коров с учетом зоотехнических требований и влияния случайных факторов. На основании теоретических и экспериментальных исследований изучены характеристики потоков, создаваемых операторами, обоснованы технологические и конструктивные параметры напорных устройств, составных элементов системы подмывания и ее режимные характеристики.
Новизна предложений технических решений защищена патентом №2189738.
Результаты работы внедрены в ОПХ «Зерноградское» Зерноградского района Ростовской области.
Цель работы — повышение эффективности преддоильной подготовки вымени коров при привязном их содержании, за счет разработки системы подмывания вымени, обеспечивающей требуемое качество очистки вымени, стимулирование молокоотдачи, повышение качества молока, улучшение условий труда операторов машинного доения и повышение производительности их труда, улучшение условий содержания животных. В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:
- исследовать потоки требований на подмывание вымени коров и определить режимы работы системы при доении в стойлах;
исследовать рабочий процесс подмывания вымени и обосновать основные параметры изучаемой системы;
проанализировать потери напора в линиях подачи теплой воды к распылителям и отвода загрязненной воды;
исследовать теплопотери в системе подмывания вымени;
- разработать методику инженерного расчета системы подмывания
вымени коров в стойле и получить показатели ее экономической эффектив
ности.
Объект исследований — технологический процесс подмывания вымени коров при привязном их содержании с использованием мобильной системы подмывания вымени.
Предмет исследования - характеристики и параметры, влияющие на качественные показатели процесса подмывания вымени коров.
Методы исследований основывались на теории массового обслуживания и системного подхода, которые описывали процесс работы мобильной системы для подмывания вымени коров с использованием положений теории поточных линий системы, гидродинамики, теплообмена, методов математической статистики и методов проведения экспериментальных работ,
Научная новизна заключается в получении закономерностей распределения временных характеристик потоков требований на подмывание вымени коров и уточнении аналитических зависимостей по обоснованию расходных, гидравлических и теплотехнических характеристик системы и ее отдельных элементов; обосновании рациональных параметров системы подмывания вымени коров в варианте мобильного ее использования.
Практическая ценность заключается в разработке методики инженерного расчета и обосновании конструктивно-технологических параметров мобильной системы подмывания вымени коров при доении в стойлах, что позволяет повысить производительность труда операторов машинного доения, улучшить условия их труда, а также значительно повысить качество получаемого молока.
Новизна технических решений защищена патентом РФ № 2189738.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований рекомендуется использовать на молочно-товарных фермах и комплексах с привязным содержанием коров сельскохозяйственных предприятий и ферм, а также в научных и конструкторских предприятиях занимающихся производством доильного оборудования.
Апробация. Основные положения диссертации доложены на научных конференциях АЧГАА - 2000, 2001, 2002 и 2003 гг.; Брянского ГСХА - 2002 г.; МГАУ им. В.П. Горячкина - 2003 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ (сборник научных трудов АЧГАА, сборник научных трудов Брянского ГСХА, журнал «Сельский механизатор»), в том числе 1 патент на изобретение.
На защиту выносятся следующие положения диссертации:
Математические модели потока заявок на подмывание вымени, временные и расходные характеристики процесса подмывания вымени коров.
Уточненные аналитические зависимости для определения основных параметров системы подмывания вымени и составляющих ее элементов.
Рациональные параметры системы подмывания вымени коров в варианте мобильного ее исполнения.
Конструктивное решение системы подмывания вымени коров.
Методика расчета исследуемой системы и результаты экономической оценки ее внедрения.
Обоснование исходных требований к проектированию системы подмывания вымени коров
Проведенный анализ требований, предъявляемых к процессу доения, показал, что организация его выполнения и существующие технические средства не обеспечивают в полной мере качества технологического процесса. Все это негативно сказывается на количестве и качестве получаемого молока, здоровье животных и условиях их содержания, а также на условиях работы и производительности труда операторов машинного доения.
При этом необходимо исходить из того, что мобильная система подмывания вымени коров является частью системы доения и относится к сложной системе человек- машина - животное (рис. 1.16).
Человек (оператор машинного доения) оказывает управляющее воздействие на данную систему, осуществляет пуск ее в работу, подсоединив к магистральному водопроводу, вакуумпроводу доильной установки, включает нагревательный элемент, контролирует режимы работы системы и управляет процессом подмывания вымени.
Управляющее воздействие человека-оператора направлено: - на повышение качества очистки вымени, что повышает качество получаемого молока и снижает уровень заболеваемости животных маститом;
- массирование вымени коровы, что стимулирует молокоотдачу, сокращая процесс выдаивания молока;
- повышение производительности своего труда;
- снижение энерго- и трудозатрат.
Положительный эффект очистки вымени и воздействие на животное в плане повышения молокоотдачи и снижения уровня заболеваемости может быть достигнут при обеспечении на выходе из системы следующих режимов работы:
1) Давление воздействия струи на поверхность вымени коровы должно составлять 2—3 кПа.
2) Температура воды - 38- 45 С.
3) Загрязненная вода должна своевременно и полностью удаляться из чаши подмывочного устройства и собираться в специальную емкость.
4) Использование системы подмыва вымени должно обеспечивать повышение производительности труда оператора и улучшение условий его труда.
Для обеспечения данных требований конструкция системы должна быть рассчитана поэлементно с учетом численности обслуживаемого поголовья коров на фермах, количества операторов машинного доения, различных вариантов подачи воды и других условий.
При определении расхода воды необходимо учитывать количество обслуживаемых животных, число одновременно работающих операторов, условия содержания животных, влияющие на загрязненность вымени коров, количество и диаметр отверстий и сопротивления в системе подачи воды. При обосновании параметров напорного насоса необходимо исходить из посе-кундного расхода воды, емкости системы и местных сопротивлений. При обосновании мощности нагревательного элемента необходимо учитывать расход воды и ее температуру на входе и выходе из системы, а также потери тепла в атмосферу.
Мобильность системы подмывания должна обеспечиваться устройством подвески, которое позволяет перемещать мобильную подсистему вдоль линии расположения стойл от одного животного к другому. При этом усилие перемещения мобильной подсистемы должно быть в пределах допускаемых требованиями.
Таким образом, представляется целесообразным систему подмывания вымени коров компоновать в соответствии с выше приведенной схемой. Она должна включать:
- стационарную подсистему, включающую энергоблок, блок для накопления и нагрева чистой воды и блок сбора загрязненной воды;
- мобильную подсистему с устройством подмывания вымени для подачи чистой воды и сбора загрязненной воды, соединенных со стационарной подсистемой транспортными трубопроводами;
- подсистему подвески, обеспечивающую перемещение и подачу рабочих органов мобильной подсистемы к месту обслуживания животных.
Обоснованность параметров отдельных элементов системы и режимных характеристик ее работы должна обеспечить требования технологического процесса доения коров по качеству очистки вымени и стимулирования молокоотдачи.
Анализ технологических особенностей, зоотехнических требований к процессу подмыва вымени коров, технических разработок в этом направлении позволяют сделать следующие выводы:
1. Процесс очистки вымени коров от загрязнений перед доением оказывает существенное влияние на качество молока и молочных продуктов. Эффективная обработка вымени перед доением экономически выгодна за счет повышения качества молока и увеличения закупочных цен на него.
2. Процесс подмывания вымени животных в стойлах исследован недостаточно. Подмывание вымени осуществляется вручную. Известные системы не используются в полной мере на животноводческих фермах и имеют существенные недостатки. Они не удовлетворяют зоотребованиям по чистоте обработки вымени, загрязняют животноводческое помещение и создают некомфортные условия для работы оператора.
3. Целесообразно использование в конструкции систем и средств подмывания вымени коров в качестве привода исполнительных механизмов рабочий вакуум доильных установок.
4. Конструкция системы должна обеспечивать снижение затрат труда и трудоемкости процесса за счет мобильности устройств подмыва вымени и устранения дополнительных операций по очистке стойла при чрезмерном его увлажнении.
5. Конструкция системы должна обеспечивать сбор загрязненной воды для дальнейшей ее утилизации.
Закономерности удаления загрязненной воды после подмывания вымени коров
При отборе загрязненной воды из чаши обмыва вымени (рис. 2.16) величина вакуума Р$, обеспечивающая подъем жидкости на заданную высоту расположения сборного бака, может быть определена по зависимости
где Ра - атмосферное давление в чаше подмыва вымени животного, кПа; Рб вакуумметрическое давление в баке сбора отработанной воды, кПа; р - плотность воды, кг/м3;
hi - потери напора по длине отводного трубопровода, м; hM - местные потери напора в линии отбора загрязненной воды, м.
Время откачки воды при подмывании вымени также ограничено. Оно зависит /91/ не только от пропускной способности трубопровода откачки, но и от расхода воды на подмывание и определяется по формуле
где г- время откачки воды из чаши подмыва вымени в течении одного цикла обработки вымени, ч; Ураз -разовый объем транспортируемой воды, м3; Fom — площадь поперечного сечения отводного трубопровода, м2; // - коэффициент расхода жидкости; h - разность уровней, на которых расположены заполняемая и опорожняемая емкости, м; Рб - вакуумметрическое давление в баке сбора загрязненной воды, кПа. Отсюда
В мобильном варианте интерес представляет гибкая подвеска подмывочного устройства и перемещение его вдоль прохода между стойлами коровника.
Для обоснования параметров такого устройства (геометрические параметры струны подвеса — dc\ усилие натяжения струны подвеса — Нс) необхо 70 димо рассмотреть некоторые условия его работы. Провисание струны происходит /92, 93/ под действием массы струны и массы устройства для подмывания вымени. Наиболее неблагоприятным является вариантом, когда устройство подмыва с заполненными водой шлангами находится на середине троса подвески (рис. 2.17 б).\. Схема сил, действующих на трос подвески подмывочного
устройства:
а) шланги расположены равномерно по всей длине струны подвеса;
б) устройство подмыва со шлангами находится на середине струны подвеса
Для определения максимального провисания троса с подмывочным устройством введем следующие допущения: трос может сопротивляться только растяжению; точки его закрепления к опорам находятся на одном уровне; растягивающее усилие (7) в любом сечении троса всегда направлено по касательной к кривой его провисания /92,93/.
На трос подвески в средней его части действуют сосредоточенная нагрузка Ре от веса подмывочного устройства и сила натяжения троса Нс. Первая составляющая определяется по формуле Pc=my-g - = tny-g-x, (2.75) где ту - масса подмывочного устройства и собранной части труб, кг; g - ускорение свободного падения, м/с2; L - расстояние между опорами подвеса струны, м. Масса подмывочного устройства и собранной на середине троса подвески части труб определим по формуле ту=кт (2.76) №-Ф.1.»+ .1. 4 ""4 где кт - число подвешенных труб, шт.; Dm- наружный диаметр питающего и отводного трубопроводов, м; dm — внутренний диаметр питающего и отводного трубопроводов, м; / - длина питающего и отводного трубопроводов, м; рт - плотность материала трубопроводов, кг/м3; р—плотность воды, кг/м3.
Кроме того, на трос (рис. 2.17 б) от центральной части пролета L до опоры действует равномерно распределенная нагрузка интенсивностью q, направленная вниз.
Методика определения гидравлических потерь и расхода воды в элементах системы
Определение гидравлического режима работы системы сводится к определению расхода воды за определенные временные интервалы, гидравлических сопротивлений по длине трубопровода и местных гидравлических сопротивлений.
Для определения расхода воды за определенные временные интервалы при различных значениях давления была использована экспериментальная установка (см. рис. 3.1).
Использование экспериментальной установки осуществлялось следующим образом. В бак набиралась вода и с помощью насоса или за счет изменения высоты установки бака создавалось давление, затем открывался кран и по шлангу вода под давлением направлялась в мерную емкость. Значения давления в баке при этом устанавливались в пределах 50...250 кПа с интервалами 50 кПа. Во время эксперимента определялось количество воды и продолжительность ее истечения от верхнего значения указанного интервала до 50 кПа с использованием гладкого и гофрированного шлангов.
По полученным результатам устанавливалась зависимость расхода воды Q от создаваемого в системе давления Р.
При этом расход воды определялся последовательно с наличием под-мывочного устройства и без него, при подаче воды только через трубопровод.
Для определения гидравлических характеристик использовалась та же экспериментальная установка, но с применением струны подвеса, на которой крепился шланг подвода подмывочнои жидкости к устройству подмыва, т. е. к чаше обмыва вымени (рис. 3.2).
При определении гидравлических сопротивлений меняли место расположения подмывочного устройства по линии расположения стойл, высоту установки бака и определяли расход жидкости за определенные временные интервалы при различных значениях давления.
Данные экспериментальных исследований (I — длина трубопровода, d -диаметр трубопровода, размерные параметры колец - R, высота столба жидкости — h, высота расположения бака — Н, расход воды — g, скорость движения жидкости - у) заносились в журнал наблюдений.
Определение угла распыла струи воды осуществлялось с помощью экспериментальной установки (см. рис. 3.1).
Целью опыта является определение расстояния и угла распыла струи воды, при которых загрязнения с вымени коровы будут удаляться наиболее эффективно, обеспечивая требуемое качество подмывания.
Для этого вода под давлением подается на специальный лист бумаги, находящийся на определенном удалении, и по размеру мокрого пятна устанавливается расчетом угол распыла. Значения давления от расстояния и угла распыла воды фиксировались в журнале наблюдений.
Полученные результаты опытов позволили установить зависимость угла распыла а от расстояния /.
Проверка отвода загрязненной воды. После подмывания вымени загрязненная вода должна удаляться из подмывочной чаши с помощью отводного трубопровода в бак отработанной воды, чтобы избежать болезней у животных при увеличении влажности в животноводческом помещении. Для обоснования этого процесса использовалась экспериментальная установка (см. рис. 3.1), которая состоит из вакууммированного бака загрязненной воды 7 с манометром 2, отводного трубопровода (шланга) 8 и чаши обмыва вымени 9. В качестве бака сбора загрязненной воды использовалась емкость индивидуального доильного агрегата (АИД) (рис. 3.3).
Характеристики теплопотерь в системе подмывания вымени коров
Основными характеристиками теплового процесса системы подмывания вымени коров являются установленные требованиями технологического процесса значения температуры воды, температура окружающего воздуха, коэффициенты теплоотдачи с поверхности трубопроводов и накопительной емкости в окружающий воздух, а также величина отклонения температурного показателя на выходе из системы.
В результате исследований установлено, что потери тепла в основном осуществляются через питающий трубопровод и стенки накопительной емкости. Экспериментальные исследования потерь тепла через стенки трубопровода применительно к температурным условиям коровника позволили установить динамику изменения температуры воды в питающем трубопроводе (рис. 4.25) и обосновать коэффициент теплопередачи стенки трубопровода.
Полученные опытные данные позволили установить значение коэффициента теплопередачи (К) для гибких полиэтиленовых трубопроводов равное
Для компенсации потерь тепла в окружающую среду и обеспечения зоотехнических требований к исследуемому процессу в накопительной емкости устанавливается водонагревательное устройство (ТЭНы). Требуемое количество тепла для поддержания требуемой температуры подмывочной жидкости и соответственно необходимая мощность нагревательного устройства зависят от режима расхода воды и состояния окружающей среды. Для обоснования данных показателей были исследованы изменения температуры воды в гибком трубопроводе в зависимости от ее расхода (рис. 4.26). Обработка данных показала, что температура подмывочной жидкости снижается при отборе воды и восстанавливается за период простоя системы t0.
Ф Анализ данных показал, что при работе одного оператора машинного доения тепловой поток обеспечивается электронагревателем мощностью 0,8 кВт. При работе 4 операторов тепловой поток требует применения нагревателя мощностью 2,6 кВт. Это обеспечивает допустимое изменение температуры воды в баке в пределах 45± 5 С (рис. 4.27).
При работе 4 операторов наибольшую вероятность имеет одновременная работа 2 операторов, что требует минутного расхода воды для подмывания в количестве 4 л. Мощность нагревателя при этом должна составлять 1,0 кВт.
В процессе подмывания вымени коровы немаловажное значение имеет сила воздействия струи на вымя животного. Необходимо, чтобы подмывание вымени оказывало успокаивающее действие на животное и способствовало активному припуску молока.
Результаты исследований силового воздействия струи в чаше подмыва на вымя коровы в зависимости от создаваемого давления в питающем трубопроводе (рис. 4.28) и расстояния от места водовыпуска до исследуемого объекта (поверхности вымени коровы) (рис. 4.29).
Экспериментальные исследования подтвердили, что наиболее благоприятное воздействие на вымя коровы оказывает струя воды температурой 38...45 С /27,46/, подаваемая к поверхности вымени под давлением 130... 150 кПа, при котором сила удара струи о поверхность вымени составляет 2...3 кПа. Для обеспечения данных условий расстояние от водовыпускающих отверстий чаши подмыва вымени до поверхности вымени должно составлять 30...50 мм.
Сравнение величин давления струи воды на вымя и соски при их подмывании в наших экспериментах с данными силовых воздействий при ручном массаже» полученных Красновым И.Н. /108/, показывают, что они на порядок ниже, чем при ручном массаже, однако соответствуют давлениям сосковой резины на сосок при доении коров отсасывающими доильными аппаратами. Поэтому для обеспечения более полного рефлекса отдачи молока коровой необходимо при выполнении операции подмывания вымени совершать круговые движения чашей и завершать операцию обтиранием вымени салфеткой.
