Содержание к диссертации
Введение
1. Концептуальное представление проблем развития доильных аппаратов 10
1.1. Современные тенденций в конструировании доильных аппаратов и их влияние на жизнедеятельность организма в процессе молоковыведения 10
1.1.1. Недостатки доильных аппаратов серийного производства 10
1.1.2. Конструкции современных доильных аппаратов и пути их совершенствования 17
1.3 Физиологические основы машинного доения 28
1.3.1 Формирование полноценного рефлекса молокоотдачи у коров и его влияние на молочную продуктивность 29
1.3.2 Стимуляция молокоотдачи при машинном доении 37
1.4. Рецепторный аппарат молоковыводящей системы животного 44
1.5 Доильные стимулы и параметры, определяющие их качество 47
1.6. Методы оценки пригодности молочных коров к машинному доению и состояния лактирующего организма животного 57
1.7. Оценка доильных машин 62
Выводы и задачи исследований 65
2. Концептуальные основы конструирования и работы доильных аппаратов открытой архитектуры 68
2.1 Архитектура акта молокоотдачи с позиции теории функциональных систем П.К. Анохина и механизм её управления 68
2.2. Принципы рационального проектирования доильных аппаратов 77
2.2.1 Доильный аппарат и открытые системы 77
2.2.2 Определение возможного варианта базовой комплектации доильного аппарата 89
2.2.3 Определение вариативного состава доильного аппарата и возможных технологических решений 98
Выводы по главе 102
3. Воздействие исполнительных механизмов на молочную железу (сосок животного) 104
3.1 Исследование морфологических особенностей молоковыводящей системы животного в современном стаде 104
3.2 Факторы, влияющие на реакцию сосковой ткани исполнительным устройством (сосковой резиной) 110
3.3 Существующие методы определения воздействия сосковой резины на сосок 116
3.4 Методика расчета воздействия сосковой резины на сосок 121
3.5 Алгоритм и расчет воздействия сосковой резины на сосок в динамике процесса молоковыведения 125
3.6 Исследование фактора наползания сосковой резины на сосок животного 132
Выводы по главе 140
4. Некоторые технико - технологические решения, повышающие адаптационные свойства доильных аппаратов 143
4.1. Конструкции доильных стаканов 143
4.1.1 Доильный стакан стимулирующего действия 144
4.1.2 Доильный стакан, совмещающий стимуляцию с плотным обхватом соска 148
4.1.3. Доильный стакан (с дополнительным присоском), препятствующий «наползанию» 156
4.2. Технологические режимы 160
4.2.1 Способ стимуляции на режимах биомеханического резонанса 160
4.2.2 Режим стимуляции животного в первые дни лактации 165
4.2.3 Способ доения животных аппаратами с удлинённым временем переходного периода 173
4.3. Конструкции устройств доения животных с пороками вымени 177
4.3.1 Анализ различных ситуаций возникающих при доении животных с пороками вымени (ступенчатым) 181
4.3.2 Дополнительный груз для выравнивания массы подвесной части доильного аппарата при доении корове пороками вымени 185
4.4. Регулирование перепада вакуумметрического давления в межстенном пространстве доильного стакана 198
Выводы по главе 207
5. Способы оценки физиологичности доильной техники 209
5.1. Комплексная оценка доильной техники 209
5.2 Способ оценки типа стрессоустойчивости коров по коэффициенту синхронности молокоотдачи четвертей вымени 213
5.3 Оценка биологического и технического звеньев системы при комплексном подходе к оценке системы «М-Ж» 217
5.3.1 Специфичность работы молоковыводящего аппарата животного 217
5.3.2 Определение «уровня здоровья» (нормы) животного 219
5.3.2.1 Применение тепловизионных методов обследования животных, процессов и доильного оборудования 220
5.3.2.2 Производственный эксперимент обследования животных в процессе молоковыведения тепловизионным методом 227
5.4 Способы физиологической оценки процесса выведения молока 236
5.4.1 Метод физиологической оценки различных способов извлечения молока (сосание телятами, ручное и машинное доение) 237
5.4.2 Физиологическая оценка извлечения молока внутри метода 239
Выводы по главе 241
Общие выводы и рекомендации 242
Литература 247
Приложение 1 265
Приложение 2 323
- Недостатки доильных аппаратов серийного производства
- Архитектура акта молокоотдачи с позиции теории функциональных систем П.К. Анохина и механизм её управления
- Исследование морфологических особенностей молоковыводящей системы животного в современном стаде
- Доильный стакан (с дополнительным присоском), препятствующий «наползанию»
Введение к работе
Кризисная ситуация и негативные явления в животноводстве России, связанные с диспаритетом цен, особенно на энергоносители и технику, монополизмом переработчиков животноводческой продукции и производителей комбикормов, сельскохозяйственной техники привели к 1997 году1 к невыгодности производства молока в хозяйствах всех форм собственности несмотря на некоторые положительные сдвиги наблюдаемые в отрасли. Производство молока в России в 2002г., как и в предыдущем, продолжало увеличиваться и составило 33,5 млн.т против 32,9 млн.т в 2001г. Прирост объемов производства составил 1,7%. Увеличение валового надоя молока получено несмотря на то, что к 1 января 2003 г. поголовье крупного рогатого скота в хозяйствах всех сельхоз-производителей сократилось на 5,3%, в том числе коров на 7,5%, по сравнению с началом 2002 г. и составило 25,5 млн. голов против 26,9 млн. год назад, в том числе коров 11,9 млн. против 12,3 млн. Следует отметить сохранение поголовья скота, в 2002 г. падеж крупного рогатого скота составил 2,9% к обороту стада, в 2001 г. - 3,2%, в 2000 г. - 3,9%) /100, 101/. Эти положительные тенденции, наблюдаемые в молочной отрасли, видны из диаграммы, представленной ниже.
Пр-во молока, млн.т Ш Поголовье, голов Падеж, % Несмотря на это, потребление молока и молочных продуктов в переданные Министерства сельского хозяйства РФ.
Счете на молоко уменьшилось с 396 кг в год душу населения в 1990 г. До 220 кг в 2001 г., при норме 400 кг /100, 101/. В то же время наблюдается рост удельного веса импортных молочных продуктов и молока с 6,1% в 1992 году до 13,7% - в 1996 году. За последние годы в молочном животноводстве России наметились положительные изменения: снизились темпы спада поголовья и объемов производства молока, а само производство молока становиться рентабельным. Так выручка сельскохозяйственных предприятий министерства сельского хозяйства РФ за 1 ц реализованного молока (без дотаций и компенсаций) в 1998 году составила 128 рублей, а в 1999 уже 289 рублей /275/. Оренбургская область по валовому производству молока за 2002 г. занимает десятое место среди регионов России, что составляет 744,8 тыс. т. молока (99,3 % к 2001 г.). Однако данные статистического управления свидетельствуют, что для сельскохозяйственных предприятий Оренбургской области реализация молочной продукции нерентабельна, что хорошо прослеживается по данным таблицы.
Рентабельность молочной продукции, реализованной сельскохозяйственными предприятиями Оренбургской области, % Годы 1995 1998 1999 2000 2001 2002
Рентабельность, % -17,5 -48,6 -7,7 2,0 -5,4 -10,2
Особо следует подчеркнуть, что для большинства населения России молоко стало и остается наиболее доступным продуктом питания и источником белка животного происхождения. Социологические опросы населения говорят о предпочтении россиян в употреблении продукции отечественного производства. К сожалению, доля высококачественных продуктов в общем объеме заготавливаемого молока не достаточна, доля заготавливаемого молока первого сорта снизилась на 11%. Одна из главных причин такого положения - низкий технологический уровень большинства молочных ферм. Оснащенность отечественных ферм оборудованием 15...20 летней давности по своему техническому уровню и технико-экономическим показателям не может конкурировать с западным, несмотря на его относительную дешевизну.
Изменения в социально-экономических и организационно-технических условий в аграрном комплексе России, проявляющиеся в:
• структуре товаропроизводителей,
• инфраструктуре машиностроительной базы и ресурсных возможностей,
• системе материально-технического обеспечения и служб технического сервиса,
• ценовой и инвестиционной политике,
• резком снижении покупательной способности сельскохозяйственных производителей,
• экологической обстановке привели к негативным процессам, происходящим в механизации животноводства, получившим свое отражение в создании и внедрении новой техники, а также реконструкции и технического перевооружения животноводческих ферм. Сегодня только 4% техники отвечает современным требованиям /238/, а в совокупном дойном стаде России по различным причинам, связанным с функциональным и техническим несовершенством доильного оборудования, маститом болеют более 50% коров.
Принятая трехуровневая система /275/ трансадаптивного агроинжини-ринга оснащения и реконструкции ферм требует новых подходов в проектировании и изготовлении новой техники. Решение первого уровня адаптации3 - адаптация техники к биологическим объектам с учетом экологических требований - требует, прежде всего, рассмотрения совокупности количественных и качественных показателей вводимых в исходные требования и технические задания на её создание. В этом случае, рассмотрение вопросов, связанных с анатомо-морфологическими и функционально-физиологическими параметрами лактирующего животного, приобретают особое значение. Кро Рекомендации по реконструкции молочных ферм на базе адаптивных технологий и оборудования рассмотрены и одобрены на секции перспективных технологий и нового оборудования для ферм КРС научно-методического совета Россельхозакадемии по механизации животноводства, системе технологий и машин отрасли 25.09.2000.
3 Технологические основы повышения эффективности машинного доения относятся к первому уровню системы трансадаптивного агроинжиниринга. ме того, определенный технологический консерватизм в производстве молока не позволяет успешно использовать при создании новой техники и реконструкции ферм с разными технологиями производства молока блочно-модульную концепцию. Выделение базовых узлов в агрегатно-элементной базе доильного аппарата или установки, их совершенствование и производство позволило существенно ускорить процесс оснащения отечественного молочного животноводства.
В связи с этим, повышение технологической эффективности доильных аппаратов является самой неотложной проблемой в практике машинного доения коров, имеющей большое народнохозяйственное значение. Необходимость исследовательской работы вызвана современным состоянием дел в молочной отрасли России и требованием новых подходов в практическом решении существующих проблем.
Научная проблема состоит: в не эффективной работе доильных аппаратов, конструкции которых не могут в полной мере обеспечить адаптивные свойства техники к поголовью и получения высококачественной молочной продукции. Современные тенденции в развитии конструкций доильных аппаратов демонстрируют ярко выраженный классический путь, приведший, с одной стороны, к расширению функционального назначения техники, с другой, сужению направленности новых разработок, резкому усложнению и снижению её надежности. В связи с этим, возникает необходимость всестороннего исследования работы доильных аппаратов для выработки технологических основ повышения их эффективности и практического решения существующих проблем.
Цель исследования - выявление технологических основ повышения эффективности работы доильных аппаратов, обеспечивающих адаптационные свойства техники к поголовью, что способствует сохранению факторов естественной резистентности4 и определяет устойчивое состояние здоровья
Резистентность - сопротивляемость организма. животных для получения высококачественной молочной продукции.
Объект исследования - технологический процесс доения коров доильным аппаратом.
Предмет исследования — взаимосвязи и закономерности процессов работы доильных аппаратов.
Задачи исследования;
1. Обобщить исследовательский материал по теме и дать оценку:
a) современным тенденциям развития конструкций доильных аппаратов для выработки технологических основ повышения их эффективности и практического решения существующих проблем;
b) разработанности физиологических основ машинного доения и формирования полноценного рефлекса молокоотдачи у коров, его стимуляции в процессе доения;
c) стимуляции животного доильным аппаратом с точки зрения эффективности процесса молоковыведения и адекватности воздействия рецеп-торных зон (оптимальные значения доильных стимулов и параметров, определяющих их качество);
d) методам оценки пригодности молочных коров к машинному доению и физиологичности доильных аппаратов.
2. Рассмотреть рефлекторный акт молокоотдачи животного с точки зрения эффективного «срабатывания» рефлекторного кольца для получения максимальной молокоотдачи и разработать концептуальные основы конструирования аппаратов блочно-модульной конструкции, быстропереналаживаемои к требуемым условиям эксплуатации животного, позволяющей эффективно реализовать адаптационные свойства доильной машины к поголовью.
3. Рассмотреть воздействие доильных стаканов на молочную железу и разработать математические модели, позволяющие теоретически исследовать влияние исполнительных механизмов на молоковыводящую систему животного для обоснования дальнейшего развития конструкций, повышающих адаптационные свойства доильного аппарата. 4. Предложить технико-технологические решения, повышающие адаптационные свойства доильных аппаратов для обслуживания реального, а не «усреднённого» животного.
5. Предложить способы оценки животных и физиологичности доильной техники, отличающиеся тем, что могут учитывать и оценивать признаки, характеризующие адаптационные свойства техники.
Методы исследований: При обосновании технологических основ повышения эффективности доильных аппаратов методологическую и теоретическую основу исследования составили принципы единства теории и практики, метод восхождения от абстрактного к конкретному. Были применены анализ и синтез структуры элементно-агрегатной базы доильных машин; новых технических решений; методы теоретической механики; теории вероятностей; методы математического и физического моделирования; моделирования на ЭВМ; экспериментальные методы; современные методы пассивной диагностики - тепловизионный (термограф ИРТИС 2000) и др.
Научная новизна работы состоит:
• В определении современных тенденций развития конструкций доильных аппаратов, эффективности стимуляции животного с точки зрения адекватности воздействия и методов оценки пригодности молочных коров к машинному доению, физиологичности доильных аппаратов. Выявлена и конкретизирована информация об объекте и средствах воздействия на него, позволяющая перейти от концепции обслуживания «усреднённого» животного к реальному.
• В расширении представлений о рефлекторном акте молокоотдачи животного с точки зрения эффективного «срабатывания» рефлекторного кольца для получения максимальной молокоотдачи и мероприятий, предусматривающих ликвидацию «разрыва» рефлекторного кольца. В предложении концептуальных основ конструирования доильных аппаратов открытой архитектуры, эффективно реализующих адаптационные свойства к поголовью. • В выявлении информации о воздействии доильных стаканов на молочную железу и разработке математических моделей, позволяющих теоретически исследовать влияние исполнительных механизмов на молоко выводящую систему животного для обоснования дальнейшего развития конструкций, повышающих адаптационные свойства доильного аппарата.
• В предложенных технико-технологических решениях, повышающих адаптационные свойства доильных аппаратов — конструкций, способах и режимах, способах оценки животных и физиологичности доильной техники.
Практическая ценность работы; Разработанное научно- теоретическое, методическое и программное обеспечение НИР дает возможность повысить эффективность работы аппаратов за счет открытости архитектуры и технологических мероприятий, повышающих адаптационные свойства доильных машин к поголовью, способствующих сохранению генетического потенциала животных и получению высококачественной молочной продукции. С учетом специфики сферы реализации результатов настоящей работы, предполагающей «индивидуальное обслуживание» лактирующих животных, разработаны конструкции и технологии, работающие в режиме адекватности их физиологическим характеристикам и повышающие открытость архитектуры доильных аппаратов.
Апробация; Основные положения диссертации были доложены в период с 1996 по 2003 год и получили официальное одобрение на следующих научных форумах: Международных симпозиумах по машинному доению сельскохозяйственных животных, первичной обработке и переработке молока (ГХ-Оренбург, 1997г.; Х-ГТереславль-Залесский, 2000г.; Х1-Казань,2002г.); 4,5 и 6 Международных научно-практических конференциях (ВНИИМЖ, 2001,2002,2003г.г.); региональных научно-практических конференциях (Оренбург, 1998,2002,2003г.г.); семинарах Оренбургского государственного аграрного университета( 1996-2003г.). Работа получила одобрение на расширенном заседании секции по машинному доению с/х животных Научно методического Совета по механизации животноводства и системе машин Отделения механизации, электрификации и автоматизации РАСХН в 2002г. Теоретические исследования и техническая реализация результатов диссертационных исследований удостоены следующих наград: 2 медали «Лауреат Всероссийского выставочного центра»- Москва, 2002г.,2003г.; нагрудный знак «Участник Всероссийского выставочного центра»- Москва,2000г.; дипломы лауреата премии администрации Оренбургской области в сфере науки и техники за 2000 и 2001г.г. (см. Приложение 1).
Реализация результатов диссертационных исследований; Технические решения, отличающиеся принципиальной новизной и представляющие собой значимую практическую ценность, внедрены в хозяйствах Оренбургской области. Научно-методические материалы по проектированию и анализу доильных аппаратов используются в учебном процессе инженерных факультетов 22 сельскохозяйственных вузов России и ближнего зарубежья при чтении лекций, проведении лабораторно-практических занятий, выполнении дипломного и курсового проектирования. Теоретические исследования и техническая реализация результатов диссертационных исследований отмечены в отчете отделения механизации, электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства Россельхозакадемии за 2002 г., включены в методические материалы по расчету элементов доильных аппаратов (утв. Россельхозакадемией) и рекомендации (утв. департаментом АПК администрации Оренбургской области) по разработке, изготовлению и применению доильных аппаратов для коров с пороками вымени.
На защиту выносятся следующие положения:
• Концептуальные основы разработки методик, режимов и средств новой техники и технологии доения;
• математические модели основных закономерностей при воздействии исполнительных механизмов доильного аппарата и соска;
• методики расчета параметров доильного аппарата и процесса доения; • технико-технологические решения, повышающие адаптационные свойства доильных аппаратов, а также способы оценки физиологичное™ доильной техники.
Публикации; Основное содержание диссертации, результаты и рекомендации исследований отражены в двух монографиях, 9 статьях в центральной печати, в 12 трудах симпозиумов и конференций. По результатам исследований получено 7 патентов и 4 положительных решения на изобретения (Приложение 1).
Объем работы: В диссертации 376 страниц, в том числе 112 страницы приложений. Она состоит из введения, 5 глав, общих выводов и рекомендаций. В составе диссертации имеется рисунков -61, схем -10, таблиц — 30 и список использованной литературы, включающий 297 наименований, из которых 15 на иностранных языках.
Она является результатом работы исследований автора, выполненных в Оренбургском отделе биотехнических систем Института прикладной механики УрО РАН и Оренбургском государственном аграрном университете. Диссертация выполнена в соответствии с государственной научно-технической программой «Высокоэффективные процессы производства продовольствия», Федеральной программой «Техника для продовольствия России», целевой комплексной программой научно-исследовательских работ ОГАУ «Разработка и совершенствование средств механизации и автоматизации сельскохозяйственных технологических процессов и методов их использования».
Автор считает своим долгом выразить благодарность научному консультанту, доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки и техники РФ Л.П. Карташову и ректору Оренбургского государственного аграрного университета, доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки и техники РФ С.А. Соловьеву за поддержку и советы, которые способствовали разработке и решению рассматриваемых проблем.
Недостатки доильных аппаратов серийного производства
В 2001-м году исполнилось 150-лет со дня изобретения английскими инженерами Ходжесом и Брекендом первого доильного аппарата. Машина была довольно примитивна: аппарат представлял собой надеваемый прямо на вымя резиновый чехол, соединенный трубкой с ручным поршневым насосом. Однако результаты ее работы были поразительны: аппарат выдаивал корову в течение 3 мин с максимальной интенсивностью 4,5л/мин и по данным исследователей не вызывал патологических изменения вымени. Ни один современный доильный аппарат не имеет таких показателей.
Естественно, возникает вопрос, почему ни зарубежные, ни отечественные инженеры и ученые не смогли преодолеть планку, заданную изобретателями 150 лет назад? Каковы причины сложившейся ситуации в области конструирования доильных машин и туда ли «завел» нас технический прогресс? Кажется, ответ прост: высокий уровень работы первой доильной машины объясняется наличием обеспечиваемой дояром «обратной связи». Дояр контролировал интенсивность истечения молока из сосков и управлял аппаратом: во время припуска непрерывно отсасывал молоко из вымени, увеличивая разрежение под соском, а при плохой молокоотдаче уменьшал разрежение. Однако, попытки создания аппаратов, реализующих подобный принцип «обратной связи» в автоматическом режиме, не дали требуемого результата.
Безусловно, нынешним состоянием отечественного молочного скотоводства, характеризуемым: снижением технической оснащенности (до уровня 70 г.) и технологического уровня (до 50 =ых г.); сокращением поголовья и низкой его продуктивностью (2000-3000кг молока в год); невыравненно-стью стада (пороки вымени); отклонением от физиологических норм молоко-отдачи - наличие большого числа тугодойных животных, с задержкой реф 11 лекса молокоотдачи, с двойным припуском молока и др., можно объяснить техническую отсталость российской техники в области машинного доения. Однако зарубежный опыт показывает, что, несмотря на существенные достижения в технике, хорошую техническую оснащенность, квалифицированное ветеринарное и зоотехническое обслуживание, высокие результаты в племенном деле, проблем, связанных с отрицательными последствиями машинного доения животных, там не меньше.
За 150-летнюю историю доильной техники в конструкцию вносились различные усовершенствования, цель которых была неизменной - улучшение её работы. Однако, обзор литературных источников, посвященных эксплуатации доильных аппаратов, прежде всего, серийного производства, показывает, что большинство машин имеют существенные недостатки, как с технической, так и физиологической точек зрения /1-7,195/.
Исторически сложилось, что конструирование и производство доильных аппаратов в нашей стране и за рубежом шло в основном по пути создания машин отсасывающего способа извлечения молока. Обусловлено это, во многом, сложностью конструкции доильного стакана, самого аппарата и коммуникаций машин выжимающего способа выведения молока, трудностями обеспечения санитарно-технологических норм доения при их эксплуатации.
В настоящее время в молочном животноводстве страны находятся в эксплуатации доильные аппараты как выпускаемые промышленностью, так и снятые с производства. Это высоковакуумные аппараты: ДА-ЗМ («Волга»), УГД.42.000, Alfa Laval agri - 50,6 кПа; «Нурлат»- 50 кПа; ДА-2 («Майга»), ДА-50, АДУ-1 (осн. исполнения; исп. 04, 09), «Бенко», «Визотрон» (фирма «Вестфалия сепаратор», Германия), «Импульс» - 47,9 кПа; «Манус», «Милка», МДФ.03.000 - 46,7 кПа; низковакуумные: SAC, АДУ-1 (исп. 03) - 33 кПа, «Темп» - 35...40 кПа; выжимающего принципа действия: «Доярка»-22..26 кПа и др., отличающиеся друг от друга техническими показателями и конструктивными особенностями. Большой спектр технических характеристик серийных аппаратов объясняется, прежде всего, отсутствием единого мнения о влиянии тех или иных показателей машинного доения на жизнедеятельность организма.
Так, например, одним из основных показателей, существенно влияющим на здоровье и продуктивность животного, является величина вакуума под соском коровы /173/. Рекомендуемые цифры распределены в широком диапазоне от 37,4 до 60 кПа, поэтому вопрос об определении его оптимального значения, при котором соотношение между интенсивной молокоотдачеи и здоровьем животного складывалось бы компромиссно, до сих пор находится в стадии решения. Варианты обеспечения интенсивного молоковыведения за счет увеличения вакуума в серийных доильных аппаратах имеют свои положительные и отрицательные стороны. Исследования /53, 102, 104, 111, 119, 125, 159 - 161, 173, 174, 188, 198, 199, 211, 233 - 235, 242, 245, 246, 287, 295/ показывают, что повышенное разрежение, как правило, вызывает у коров непривычные, а порой и болевые раздражения, ведет к гиперемии (застаивание крови в кончике соска), торможению рефлекса молокоотдачи, снижению продуктивности животных, заболеванию маститом и другим неприятным последствиям.
Кроме того, на эффективность извлечения молока при доении аппаратом влияет не только величина разрежения, но и ее характер, а также воздействие резины на сосок и другие параметры /46, 61, 70, 108, 109, 113, 119, 122, 220, 228, 137, 235, 288, 296/. Поэтому конструкторы и ученые стараются разрабатывать «щадящие» и «стимулирующие» доильные аппараты. «Идеальный» аппарат должен возбуждать рефлекс молокоотдачи у коровы (в крайнем случае не тормозить этот рефлекс при доении), быть простым по конструкции, удобным в эксплуатации, быстро и чисто доить и не вызывать заболеваний вымени. Однако, современные серийно выпускаемые доильные аппараты далеки от идеального и многочисленные сравнительные исследования, проведенные рядом ученых: Е.И. Админа, А.В. Гольденфанга, И.Е. Волкова, Ю.И. Залевского, А.И. Зеленцова, Л.П. Карташова, В.Ф. Королева, И.Н. Краснова, В.И. Квашенникова, В.В. Кирсанова, Э.А. Келписа, А.Е. Кузьмина, А.А. Курочкина, В.А. Лисковича, А.Н. Могильного, П.И. Огородникова, Н.А.Петухова, Н.П. Проничева, В.Ф. Ужика, В.П. Саврана, А.В. Савельева, С.А. Соловьева, И.А. Циникина, А.И. Фененко, Ю.В. Цоя, Ю.М. Юлдашева и др., подтверждают это.
Архитектура акта молокоотдачи с позиции теории функциональных систем П.К. Анохина и механизм её управления
Ценность животного для товаропроизводителя определяется двумя составляющими, а именно, молочной продуктивностью и составом молока (жиро-, белковомолочность). Исследования современной генетики говорят о независимости этих двух составляющих. Поскольку состав молока более всего обусловлен генетически, чем его количество, то молочная продуктивность является единственным варьируемым показателем в пределах генетического потенциала животного. Ранее отмечалось (см. параграф 1.3, рис. 1.1), что молочная продуктивность за лактацию определяется двумя основными факторами, среди которых интенсивность лактационной доминанты, обеспечиваемая стимуляцией лактационного центра животного, является единственным изменяющимся (т.е. управляемым) в процессе молоковыведения параметром. Именно поэтому, понимание механизма управления молокоотдачеи имеет огромное значение при выработке научных основ эффективного машинного доения и новой доильной техники.
Рассмотрим механизм управления молокоотдачеи подробнее. Механизм управления, выработанный при сосании коровы теленком в процессе эволюционного приспособления и развития, поддерживает регулирующие величины молокоотдачи не на строго фиксируемом уровне, а с отклонением от некоторого оптимального значения. В этом случае, учет и анализ регулирующих молокоотдачу величин (их отклонений), позволяет в некоторой степени определить, в каких случаях система (животное) работает «эффективно», а в каких нет.
Эволюционное развитие животного сформировало молочную железу коровы таким образом, что молоко может быть извлечено из вымени только рефлекторно, путем сосания или доения, а сам рефлекс молокоотдачи генерируется по двум каналам: безусловному и условному. Безусловный рефлекс возникает при раздражении рецепторов молочной железы. Условный рефлекс (если он сформирован) возникает в случаях совпадения во времени с безус-ловнорефлекторным раздражением рецепторов молочной железы факторов, сопутствующих доению или сосанию и воспринимаемыми иными рецепторами животного (зрительными, слуховыми, обонятельными, вкусовыми и др.). Велико значение каждого из рефлексов (безусловного и условного) в молокоотдаче, однако практика машинного доения показывает, что зачастую условные рефлексы превалируют над безусловными.
В основном изучение рефлекса молокоотдачи развивается по направлению, связанному с анализом нейрофизиологической природы возникающих связей (в случае условнорефлекторной - временной). Достаточная изученность физиологических механизмов безусловных и условных рефлексов связана с именами таких ученых, как И.А. Барышников, И.И. Грачев, Э.П. Коко-рина, Г.Б. Тверской, М.Г. Закс и др. Однако не менее важным является направление, в рамках которого исследуется принципиальная архитектура, общая организация рефлекторного акта. Работы В.А. Правдивцева, СБ. Козлова, Л.П. Нарезкина /232/ в области анализа поведенческого акта показывают, что подобный подход позволяет выделить истинную сущность процесса и факторы, влияющие на «ненормальное» его течение, за счет некоторого упрощения.
Классическая схема рефлекторного кольца, предложенная П.К. Анохиным, начинается рецептором, обладающим особо высокой возбудимостью по отношению к строго определенным раздражителям. Возбуждение от рецепторов передается по нервным волокнам в центральную нервную систему и далее в исполнительный орган, следствием чего является рефлекторная реакция. Физиологические механизмы безусловных и условных рефлексов молокоотдачи одинаковы, кроме начального афферентного звена. Согласно этим представлениям, архитектуру рефлекторного акта молокоотдачи с позиции теории функциональных систем П.К. Анохина можно представить в виде принципиальной схемы, изображенной на рисунке 2.1.
В случаях нормального доения животного1 рефлекторная регуляция молокоотдачи начинается с раздражения соответствующих рецепторов (Рмж, Ри), обладающих возбудимостью лишь к строго определенным раздражителям. Возбуждение Вг по афферентным нервам молочной железы передается в ЦБР центральной нервной системы.
Для возникновения условного рефлекса (образование временной связи) необходимо не только наличие самого раздражения Ег, но и возникновение ситуации, когда в коре головного мозга одновременно возникают два очага возбуждения (в ЦУР - Mi и в ЦБР-М2). Возбуждение, прошедшее несколько раз между ЦУР и ЦБР, создает повышенную возбудимость нервных путей между ними, что и обуславливает образование временной связи между центрами.
В случаях, когда в нервные центры поступает информация без отклонения, центральная нервная система (ЦНС) регулирует выделительную секреторную деятельность молочной железы и связанных с ней систем, проявляющиеся в ответной реакции организма (ОР) - рефлекса молокоотдачи. Из ЦНС информация (И), передается к молочной железе по двум эфферентным путям: I - нервному, II - нейрогуморальному.
Первый путь обеспечивает передачу импульсов на сегментарном уровне, приводит в действие гладкомышечные волокна сосудов, протоков, цистерн и соска (1-ая фаза рефлекса молокоотдачи). Молоко из крупных протоков выводится в цистерны желёз, сосковый сфинктер расслабляется и выводится цистернальная порция молока.
Исследование морфологических особенностей молоковыводящей системы животного в современном стаде
Решение проблемы повышения эффективности доильных аппаратов, организация процесса 100%- ного машинного доения (без ручного додаивания) во многом зависит от морфологических показателей вымени (формы вымени и сосков). К сожалению, в последние годы состояние молочного скотоводства в стране резко ухудшилось. Селекционно-племенная работа во многих хозяйствах не проводится, животные не соответствуют требованиям машинного доения. Результатом явилось снижение их продуктивности, увеличение себестоимости молока, вырождение высокопродуктивных пород скота молочного направления. Несоответствие техники современным требованиям, как в функциональном, так и в техническом плане усугубляется ещё и тем, что конструкторы в своих разработках ориентируются на подобранное стадо, чего нет в идеале, и в результате - не эффективность процесса. Поэтому дальнейшее развитие эффективных конструкций исполнительных механизмов и аппаратов невозможно без изучения морфологических особенностей молоковыводящей системы сегодняшнего стада, пригодности его к машинному доению.
Общая характеристика любого промышленного стада, как правило, недостаточно хорошо подобранного для машинного доения, показывает, что количество коров, имеющих отклонение от зоотехнических норм, достаточно велико. Данные многих исследований (Ф.Л. Гарькавого, И.И. Гриневич, Ю.М. Огнева, Г.М. Туникова, Б.С. Москаленко, Р.В. Тамаровой и др./ 1-7, 65, 66, 75 - 77, 85 - 87, 138, 197/) свидетельствуют, что индекс вымени отечественных животных находится в пределах 41...45, при этом коров с козьим выменем и ступенчатым дном насчитывается до 15...20%. Все авторы подчеркивают, что с возрастом животных все эти показатели ухудшаются (см. таблицу 3.1).
По данным И.И. Гриневича1 индекс вымени с возрастом уменьшается на 0,8...3,1%, что составляет 1,9...7,0% от величины индекса вымени за 1-ую лактацию независимо от породы коров. По данным И.П. Архангельского, И.Г. Велитока, Ф.Л. Гарькавого, А.А. Полякова, В.И. Рубцова /75, 85 -87,240, 231/ и др./1 -7 / нарушение технологии доения и, особенно длительные передержки доильных аппаратов из-за несвоевременного их отключения, являются главными причинами маститов. Это зачастую приводит к потере от каждой заболевшей коровы за лактацию до 10... 12% годового удоя молока.
Одним из жестких требований к морфофункциональным свойствам вымени является равномерность развития их четвертей. По данным целого ряда исследователей, разность в продолжительности доения долей вымени не должна превышать 60 с. Р.Х. Тумшс /259/ считает, что непригодными к доению на автоматизированных установках, оборудованными манипуляторами додоя и снятия доильных стаканов, являются животные с интенсивностью доения ниже 0,8 кг/мин. Автор приводит следующие данные, полученные при обследовании животных в хозяйствах: допустимую разницу во времени доения имели только 19,4% оцененных первотелок, а разницу во времени выдаивания более 2 мин была у 46,7% оцененных животных. Со скоростью молокоотдачи меньше 1 кг/мин оказалось в стаде 28,9% первотелок. Приведенные цифры свидетельствуют, что достаточному количеству животных присуща неравномерность долей вымени.
Авторитетные физиологи Э.П. Кокорина, К.И. Кавешникова, Л.Г. Красноперова /154/ утверждают, что эффективность машинного доения коров зависит от сочетания морфологического развития и функциональной активности четвертей вымени. Наиболее высока разница времени выдаивания долей при сочетании в одной из них большого количества молока с низкой интенсивностью молоковыведения. Очевидно, что чем больше разница во времени выдаивания наиболее быстро и медленно выдаиваемых долей вымени, тем длиннее «холостое» доение выдоенных первыми долей, так называемые скрытые передои. По мнению М.Л. Гордиевских /99/ до 75% всех коров подвержены воздействию холостого доения хотя бы одной доли вымени. Связано это, как правило, либо с отсутствием должной информации о процессе доения отдельных четвертей вымени оператором, либо с обслуживанием двух или более аппаратов, завершающих доение одновременно. Аналогичную картину наблюдала О.Б. Забродина /114/, приводя тот факт, что независимо от равномерности развития вымени по удою и значения удоя имеют место передержки аппарата свыше 2 мин в пределах 52,9%. И.И. Гриневич1 рекомендует использовать асинхронное доение с параметрами: либо частоту пульсации 60 импУмин (в передних стаканах) и 90 имп./мин (в задних) при одинаковом соотношении тактов, либо 80 имп./мин (в передних стаканах при соотношении тактов 50:50) и 60 имп./мин (в задних стаканах при соотношении тактов 60:40).
Исследованиями Ю.М. Огнева и К.Б. Кольцова /197/ установлены существенные различия по показателю средней интенсивности молокоотда-чи у коров разной формы вымени. Высокой интенсивностью обладают животные с ваннообразной формой вымени - 1,79 кг/мин, наименьшей — с козьей - 1,03 кг/мин. Коровы с чашеобразной формой - 1,36 кг/мин.
Учитывая явно прослеживаемую тенденцию ухудшения приспособленности дойного стада к машинному доению, нами были проведены собствен-ные исследования на фермах трех хозяйств Оренбургской области . С этой целью были изучены морфологические особенности вымени на коровах красной-степной породы, как наиболее характерной породы региона. Следует отметить, что эти хозяйства 10 лет назад были одними из лучших в области и сейчас являются далеко не худшим на фоне рядовых: среднегодовой надой здесь составляет около 3 тыс. кг на одну корову.
Доильный стакан (с дополнительным присоском), препятствующий «наползанию»
Качество доильных раздражений во многом определяет секреторную деятельность молочной железы. При механических раздражениях из вымени животного извлекается большая часть остаточного молока, чем при доении без них, за счет сокращения миоэпителия альвеол под влиянием прямых механических воздействий. Хотя спектр восприятия механорецепторов лежит в диапазоне 20...1,5-105 Гц /272/, наибольший эффект вибровозбуждения достигается на частотах биомеханического резонанса, что даёт все основания использовать его для стимуляции рефлекса молокоотдачи физическим воздействием рецепторного поля животного.
Кроме того, известные способы стимуляции молокоотдачи, нашедшие практическое применение при машинном доении, не учитывают тот факт, что рецептор, являясь приемником, первичным анализатором и преобразователем «информации» в биологических системах имеет пределы (пороги) чувствительности. Для срабатывания рецептора, как датчика поступающей информации, важно не только модальность, периодичность, сила и длительность сигнала, но и его соответствие собственным временным и частотным характеристикам рецептора.
Как уже упоминалось ранее, исследования морфологических и биомеханических свойств виброрецептора показали, что максимальная эффективность его деятельности проявляется на частотах биомеханического резонанса при 100...120 Гц или кратных, с допустимым временем непрерывного возбуждения не более 5с. Следует учитывать, что максимальный размах амплитуды, вызывающий болевые ощущения зависит от частоты и равен 1...2 мм в диапазоне частот 16...96 Гц и 0,1...0,2 мм при частотах более 512 Гц. Величина порогового давления для рецептора составляет (2...3)-104Па (2...3 г/мм2) /89, 272/.
Исходя из этих посылок, нами был предложен способ стимуляции животных во время доения физическим воздействием на рецепторное поле животного вибровозбужденим на частотах биомеханического резонанса. Вибровозбуждение может наноситься на зоны повышенной физиологической активности кожного покрова животного, например, на рецепторное поле крестца коровы, основания сосков вымени и т.д. Вибровозбуждение подается модулированным по частоте, амплитуде и импульсу. Время непрерывного вибровозбуждения и величина давления составляют не более 5 с и (2...3)-104Па соответственно на частоте 100...120 Гц или кратных. Процесс стимуляции рефлекса молокоотдачи может проводиться как в процессе доения, так и во время преддоильной подготовки.
Стимуляцию процесса молокоотдачи в процессе доения удобно проводить устройством, состоящим из доильного стакана оснащенною насадкой для стимуляции животного вибровозбуждением с блоком управления (см. параграф 4.1.1). Непосредственное физическое воздействие на рецепторное поле в области основания сосков вымени животного осуществляется вибратором. Настройка устройства на частоты биомеханического резонанса и физиологически допустимые параметры (по амплитуде, импульсу и времени непрерывного возбуждения) осуществляется блоком управления. Время непрерывного вибровозбуждения и величина давления на рецепторное поле составляют не более 5с и (2...3)- 104Па (2 г/мм2) соответственно на частоте 100...120 Гц или кратных. Устройство, работая в режиме частотно-временных характеристик рецептора, максимально воздействует на рецепторы вымени, раздражая последние, и стимулирует рефлекс молокоотдачи.
Проверка стимулирующего влияния вибровозбуждения на рефлекс моло-коотдачи и работоспособности устройства
Проверка стимулирующего влияния вибровозбуждения на рефлекс молокоотдачи и работоспособности конструкции осуществляющей её проводилась в производственных условиях3 на коровах красной степной породы с использованием двух доильных аппаратов марки Alfa Laval agri. Один аппарат использовался в стандартной комплектации, другой (экспериментальный), оснащался устройствами для стимуляции животного вибровозбуждением (4-е насадки) и блоком управления. Все 4-е насадки (по количеству стаканов) настраивались на частоту 102,5 Гц (резонансная частота виброрецептора) и время непрерывного возбуждения 5с. Время возбуждения чередовалось временем покоя в соотношении 1:1 (т.е. время возбуждения -5с, покоя -5с). Оценку аппаратов проводилась по разработанной методике, описанной в параграфе 5.4.2 по обобщенному коэффициенту:/ =——,где /-среднее зна Ч чение величины латентного периода, с; Q -среднее значение интенсивности молоковыведения, г/с; д-среднее значение количества оставшегося молока, г. Эксперимент проводили методом латинского квадрата (две группы животных по пять коров в каждой). При подборе животных особое внимание уделяли состоянию вымени и функциональной развитости её четвертей. Подбор коров проводили по принципу аналогов с учетом возраста, отела, продуктивности, живого веса и упитанности. Кроме того, исходили из условия, чтобы животные имели одинаковые значения коэффициентов тугодой ООО «Заря» Ташлинского р-на Оренбургской области ности либо близкие (до 5%) при прочих равных условиях, перечисленных выше. Породность животных, возраст и продуктивность устанавливали по материалам бонитировочных ведомостей, данным первичного зоотехнического учета и результатам исследования коров в подготовительный период. Характеристики коров опытных групп приведены в таблице 4.2 и свидетельствуют о достаточной равномерности распределения животных в группах. При проведении эксперимента животные находились в одинаковых условиях ухода и содержания.
Во время учетного периода проводили ежедневный индивидуальный учет надоев и времени доения, определяли величину латентного периода, интенсивность молоковыведения и количество оставшегося молока. Жирность молока определяли кислотным методом. Массаж вымени перед доением не применяли. Величину латентного периода определяли перед доением, вводя в левый передний сосок коровы катетер (для извлечения цистернальной порции молока) и после истечения струи на три остальных соска наносили раздражения, вызывающие молокоотдачу - подвешивали доильные стаканы стандартного исполнения и доильные стаканы с насадками для стимуляции животного вибровозбуждением. После этого фиксировали секундомером время до первого появления альвеолярной порции молока. Учитывали объем и жирность порций альвеолярного молока. Количество остаточного молока определяли после машинного додаивания: аппарат снимали, вводили внутривенно 20 и.е. питуитрина и вручную выдаивали остаточное молоко. Интенсивность молоковыведения вычисляли исходя из величин индивидуального машинного надоя и времени доения, включая значения машинного додоя.
