WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Шахов Владимир Александрович

техническое обеспечение реАлизАции потенциАлА молочной продуктиВности короВ

05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Мичуринск – Наукоград РФ, 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный аграрный университет»

Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор соловьёв сергей Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ужик Владимир Федорович;

доктор технических наук, профессор ульянов Вячеслав михайлович;

доктор технических наук, профессор кирсанов Владимир Вячеславович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова».

Защита диссертации состоится 17 марта 2011 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская обл., г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, Мичуринский ГАУ, корп. 1, зал заседаний диссертационных советов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «___» ______________ 2010 г. и размещен на сайте ВАК: www.vak.ed.gov.ru Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Н.В. Михеев общАя хАрАктеристикА рАботы

Актуальность работы. Современная молочная отрасль АПК РФ переживает трудный период, связанный с сокращением поголовья, переориентацией на новые формы собственности и отсутствием материальных средств. Опубликованный в 2005 году национальный проект «Развитие АПК» предполагает до 2012 года финансирование агросектора в объеме 30 млрд. рублей. Рациональное использование этих средств позволит увеличить производство молока и мяса на 4,5–7% и создать 2,5 тысячи потребкооперативов. Для этого следует провести реконструкцию имеющихся помещений или построить новые, закупить высокопродуктивных животных, оснастить производство современным энергосберегающим оборудованием.

На сегодняшний день только 7% оборудования, обеспечивающего нормальное функционирование подсистем в структуре биотехнической системы (БТС) «человек–машина–животное/[среда]» (Ч–М–Ж/[С]), отвечает современным требованиям. В молочной отрасли машинное доение коров является заключительным этапом, воедино связывая звенья технологического процесса:

человека, машину и животное. В такой иерархической, замкнутой системе особая роль отводится доильным машинам, непосредственно взаимодействующим с животными и оказывающим активное влияние на реализацию потенциала молочной продуктивности.

В связи с этим возникает проблема инструментальных способов физиологической оценки имеющихся и вновь создаваемых доильных машин с оптимизацией их конструктивно-режимных параметров. В этом случае необходим высокий уровень достоверности полученных результатов, который невозможен без создания нового современного технико-методологического комплекса лабораторно-стендовых и производственных исследований.

Решение такой проблемы должно проводиться на основе энерго- и ресурсосбережения в среднеинтенсивных и тем более интенсивных технологиях производства молока. Сегодня это выходит на первый план, поскольку все технологии и их структурные элементы – инженерные, биологические, зооветеринарные и др., определяет энергетическая и материально-техническая база. Таким образом, целесообразность исследований, направленных на совершенствование технического обеспечения молочного животноводства на принципе энергосбережения, является актуальной и обусловленной требованием времени практической необходимостью, вызванной современным состоянием дел в молочной отрасли.

Работа выполнена в соответствии с темой РАСХН IХ.01.04 «Разработать энергосберегающие комплекты машин и оборудования нового поколения для производства конкурентоспособной продукции животноводства» по тематике НИР Оренбургского ГАУ №02.20.0306327 от 15.05.2003 и государственного контракта №12К от 11.11.2006 с ООО «Микротек Т».

цель работы – совершенствование технического обеспечения системы «Ч–М–Ж/[С]» для полной реализации генетического потенциала молочной продуктивности коров на основе оптимального использования энергии.

объект исследования – процесс функционирования технических звеньев в системе «Ч–М–Ж/[С]» и их влияние на реализацию потенциала молочной продуктивности коров в лактационный период.

предмет исследования – закономерности, определяющие влияние технического обеспечения на реализацию потенциала молочной продуктивности коров.

задачи исследования:

1. Обобщить исследовательский материал и передовой опыт по теме и создать методологическую основу моделирования и расчета энергозатрат в системе «Ч–М–Ж/[С]».

2. Создать структурно-логическую схему моделирования подсистем в животноводстве с получением критериальных значений минимизации энергозатрат.

3. Уточнить условия и режимы движения газожидкостной смеси в замкнутой системе гидравлического контура для моделирования высокоскоростных доильных машин.

4. Провести критериальную оценку погрешности средств индивидуального учета молока при работе доильных машин.

5. Обосновать параметры имитации контрольно-испытательного комплекса для доильных машин и средств индивидуального учета молока.

6. Дать энергоэкономическую оценку совершенствования технического обеспечения реализации потенциала молочной продуктивности коров.

научная новизна исследований состоит:

1. В разработке комплексной методики моделирования энергоэкономной системы «Ч–М–Ж/[С]» на основе аналитико-имитационного подхода.

2. В подтверждении гипотезы о наибольшем влиянии технического обеспечения подсистемы доения на реализацию потенциала молочной продуктивности коров.

3. В создании программ расчета энергозатрат на производство молока с учетом коэффициента использовиния объектов Kи и энергии Kиэ в БТС, определении величины «наползания» доильных стаканов и совершаемой работы при испытании доильных машин.

4. В создании методики моделирования высокоскоростных доильных машин на основе изучения движения газожидкостной смеси в замкнутой системе гидравлического контура.

5. В разработке методики структурно-логического синтеза элементов контрольно-испытательного комплекса для доильных машин и средств индивидуального учета молока.

6. В предложенных технико-технологических решениях, повышающих адаптационные свойства доильных машин для реализации потенциала молочной продуктивности коров.

практическая полезность работы. Разработанное научно-теоретическое, методическое и программное обеспечение НИР дает возможность интенсифицировать реализацию потенциала молочной продуктивности коров за счет совершенствования технического обеспечения систем «Ч–М–Ж/[С]» посредством их моделирования на принципах оптимальной био- и энергоконверсии.

Создана методика моделирования режимов высокоскоростных доильных машин с учетом специфики движения газожидкостной смеси. Выявлены факторы, оказывающие наибольшее влияние на систематическую и случайную погрешности средств измерения выдоенного молока.

Разработаны методики структурно-логического синтеза элементов контрольно-испытательного комплекса для доильных машин и средств индивидуального учета молока, позволяющие исключить «жесткие» эксперименты, наносящие вред здоровью животных, сокращая период производственнотехнологической адаптации животных к новому оборудованию; методика, позволяющая подобрать доильную машину с учетом анатомических и морфологических свойств вымени и физиологического состояния животного;

методические материалы по расчету элементов контрольно-испытательного оборудования для доильных машин и средств индивидуального учета молока, утвержденные Россельхозакадемией.

Апробация. Основные положения диссертации были доложены в период с 1994 по 2009 годы и получили официальное одобрение на следующих научных форумах: I Всероссийском симпозиуме по доению сельскохозяйственных животных (Оренбург, 1995 г.); IX и ХIV международных симпозиумах по машинному доению сельскохозяйственных животных, первичной обработке и переработке молока (Оренбург, 1997 г.; Углич, 2008 г.); международных научнотехнических конференциях (Углич, 1997 г.; Самара, 2006 г.; Саратов, 2007 г.;

Москва, 2008 г..); международных научно-производственных конференциях (Львов, 1999 г.; Белгород, 1999 г.); региональных научно-практических конференциях (Оренбург, 1995–2008 гг.);научно-производственных конференциях ОГАУ(Оренбург, 1995–2005 гг.).

Аналитический материал и инженерно-технические разработки удостоены следующих наград: трех дипломов лауреата премии Правительства Оренбургской области в сфере науки и техники за 2007, 2008 и 2009 гг., трех медалей «Лауреат Всероссийского выставочного центра» и одной «За успехи в научно-техническом творчестве» (Москва, 2003–2005 и 2007 гг.); шести дипломов I степени и большой золотой медали ВВЦ «Золотая осень» (Москва, 2002–2006 и 2008 гг.); трех дипломов лауреата премии администрации Оренбургской области в сфере науки и техники для молодых ученых за 1997, 1998 и 2007 гг.

реализация результатов исследований. Технические решения, отличающиеся принципиальной новизной и представляющие собой значимую практическую ценность, направлены на повышение эффективности производства молока на основе энергосбережения, внедрены в хозяйствах Оренбургской области и Республики Беларусь.

Алгоритмы параметрической оптимизации функциональных и принципиальных схем, технических средств для извлечения молока из вымени лактирующего животного и испытания доильных аппаратов, включены в методические материалы по расчету элементов доильных машин, утвержденные Россельхозакадемией.

Научно-методические материалы по проектированию и анализу контрольно-испытательного оборудования используются в учебном процессе инженерных факультетов 20 агроинженерных вузов России и ближнего зарубежья при чтении лекций, проведении лабораторно-практических занятий, а также при реализации наукоемких теоретических исследований в СНО и СКБ.

По итогам работы ХIV Международного симпозиума по машинному доению сельскохозяйственных животных (Углич, 2008 г.) принято решение, утвержденное РАСХН, в рамках которого обозначено: «Одобрить научное направление по разработке специальных стендов для ускоренных испытаний доильных аппаратов и рекомендовать их к дальнейшим глубоким лабораторнопроизводственным исследованиям».

на защиту выносятся следующие положения:

– Концептуальные основы моделирования системы «Ч–М–Ж/[С]» и пути реализации потенциала молочной продуктивности коров.

– Методики расчета энергозатрат на производство молока в системе «Ч–М–Ж / [С]»; моделирования технологических режимов высокоскоростных доильных машин.

– Обоснование конструктивно-режимных параметров контрольно-испытательного комплекса для доильных машин.

– Методика факторного анализа погрешности измерения для средств индивидуального учета молока.

– Комплекс технико-технологических разработок для ускоренных лабораторно-производственных испытаний доильных машин и средств индивидуального учета молока.

публикации: по материалам диссертационных исследований опубликованы монография; расчетно-методические материалы; 66 статей, из них 11 в центральной печати, рекомендованной ВАК для докторских диссертаций; получено 14 патентов на изобретения и два свидетельства на программное средство для ЭВМ.

структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения по результатам диссертационных исследований, библиографического списка использованной литературы (334 наименования) и 28 приложений.

личный вклад автора на всех этапах выполнения диссертации является определяющим. В работах, выполненных в соавторстве, автором сделан основной вклад, выражающийся в формулировании целей и задач исследований, теоретической части и личном участии в проведении экспериментальных исследований.

содерЖАние рАботы Введение посвящено обоснованию актуальности проблемы, определена цель и сформулированы задачи исследования; показаны научная новизна, практическая ценность и апробация работы; представлена реализация результатов исследований; изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ проблемы энергонасыщенности системы «человек–машина–животное–среда» при замкнутом цикле энергоконверсии биотехнического обеспечения животноводческого комплекса» проведен анализ энергоконверсионных процессов в БТС, рассмотрены вопросы технологичности функционирования объектов биотехнического обеспечения систем, функционально-параметрическая структура системы «Ч–М–Ж/[С]».

Выполнен обзор видов моделирования систем, способов энергосбережения и энергоаудита БТС. Рассмотрены особенности формирования технического обеспечения и надежности БТС.

Основным назначением биотехнической системы «Ч–М–Ж/[С]» является получение максимума продукции при определенных ограничениях на затраты труда и энергии. Достичь этого возможно путем максимального соответствия режимов работы технических средств физиологическим процессам и приспособительным реакциям животных.

С целью разрешения этой проблемы ведутся теоретические и экспериментальные исследования, постоянно совершенствуются технические устройства для животноводства. Большой вклад в решение этих вопросов внесли Л.П. Карташов, В.Ф. Королев, Ю.А. Цой, Л.П. Кормановский, С.А. Соловьев, А.А. Артюшин, С.А. Булавин, В.Г. Коба, А.Е. Кузьмин, В.В. Кирсанов, А.А. Овчинников, В.А. Стремнин, М.М. Луценко и др. ученые.

Разработке стратегии адаптивного технологического и технического обеспечения молочного животноводства посвящены исследования Л.П. Карташова, С.А. Соловьева, Н.В. Краснощекова, В.А. Стремнина, А.И. Фененко, В.М. Побединского, Е.М. Асманкина, П.И. Огородникова, В.М. Ульянова и других.

Выполнен обзор методов математического моделирования технологических объектов и энергозатрат процессов на основании работ А.А. Самарского, Г.С. Поспелого, В.Е. Руднева, А.А. Севернева и других ученых.

Изучению биологических аспектов проблемы взаимодействия животных с техническими средствами посвящены работы Э.П. Кокориной, К.И. Кавешниковой, Л.П. Карташова, В.Ф. Ужика, М.Л. Пейновича и других ученых.

Проведенный анализ показал, что биотехническая система «Ч–М–Ж/[С]» работает неустойчиво, при этом определяющими факторами являются надежная работа оператора и технических устройств, взаимодействующих с животными.

Установлено, что БТС функционирует в условиях постоянного взаимодействия объектов на межэлементном, субэлементном и межподсистемном уровнях и происходит обмен энергией, информацией и веществом (рис. 1).

1) –м ч Среда Среда м Ж ч Ж я Моча, кал 0,– энергия, поступающая в БТС; – антропогенные воздействия;

– полезная энергия выхода из БТС; – межэлементные связи;

– потоки энергии; – субэлементные связи;

– потоки информации; – межподсистемные связи.

Рис. 1 – иерархическая модель бтс Исследования работы БТС показали, что затраты на один килограмм молока составляют 13,5–22,3 МДж, а полезная энергия выхода в виде молока, приплода и отходов (моча, кал) от 7,92 до 15,32 МДж/кг. При этом выяснили, что животное может полностью реализовать свой потенциал молочной продуктив, М Д – ж, / к ( г в Э п Э г к /, п, ) ( М о ( Д ж ж о п /, Э Д п к п г г – к М Э / ) ж, п Д к, с ( ) М М, – ) – Д,,, ж – ( ) / к М, г ж д ( Д п ж Э к р / к к п г Э Э П я и о м г л р е д е М з о г н н э а л к о / ( лок ж, Д о – Припло М ),, ) М – Д, ж ( / к г р п Э Э г к / ( ж Д, о М – ) т ности, если эффективно функционируют все объекты БТС. Следовательно, в случае достаточного обеспечения кормами и надежной работе человека, можно утверждать, что наибольшее влияние на реализацию потенциала молочной продуктивности животного оказывает техническое обеспечение: доильное оборудование, непосредственно контактирующее с животными. Поэтому для повышения продуктивности (полезной энергии) необходимо организовать процесс доения на основе индивидуального подбора доильных машин и точного учета величины потока молока при доении. Это позволит оптимизировать энергозатраты на био- и энергоконверсионные процессы, поскольку снизятся травмирование, болевые ощущения, заболевание маститом, стрессонапряженность и, как следствие, выбраковка коров.

Во второй главе «технико-энергетический аспект реализации потенциала молочной продуктивности коров в современных условиях развития молочной отрасли» представлена методика энергоаудита и сформулированы принципы системного подхода моделирования энергоэкономных биотехнических систем «Ч–М–Ж/[С]». Проведено теоретическое обоснование параметров высокоскоростных доильных машин и контрольно-испытательного комплекса для испытания доильных машин и средств индивидуального учета молока.

Для расчета энергии на выполнение технологических операций и процессов разработана методика, основанная на энергодинамической устойчивости работы системы «Ч–М–Ж/[С]» (рис. 2). Методика, в основе которой лежит расчет энергозатрат на необходимые технологические процессы БТС, позволяет определить: полные энергозатраты, коэффициент энергоэффективности, показатель уровня интенсификации производственных процессов и энергозатраты на производство молока (Shag 13–16). Для оперативности выполнения расчетов разработана программа «Энергозатраты» (язык Delphi).

Эмпирические зависимости учитывают удельные затраты использования машин, применяемых материалов, зданий и труда человека с учетом коэффициента использования Kи данных объектов в технологическом процессе производства молока (Shag 1–4).

На основе полученных результатов ведется расчет затрат энергии по соответствующим видам удельных затрат с учетом коэффициента использования энергии Kиэ (Shag 5–8). Особенность расчета прямых, овеществленных затрат и обменной энергии заключается в использовании Kиэ, что позволяет оптимизировать искомые значения (Shag 9–12). Программа позволяет проводить расчет до момента получения Эм не более 14 МДж/кг путем подбора оборудования из базы данных и изменения технологических процессов. Результаты расчетов выводятся в виде итоговой таблицы. Таким образом, программа позволяет оптимизировать энергозатраты (Shag 17–18) и повысить эффективность производства молока. Согласно мировым стандартам, энергозатраты на производство молока (Эм) не должны превышать 14 МДж/кг, а обменной энергии Эо – 5,12 МДж/кг. По этой методике были выполнены расчеты энергозатрат технологии, применяемой в ЗАО Маяк Соль-Илецкого района (МТФ с поголовьем 800 коров, надой 3125 кг/год) (табл. 1).

aij, rij, Qr, K Bij,Wij, K1, Qi, S, Fni,Nk, a3i, r3i, Np, Eэ, Kп э, qэi, EэK, N n, k k n i=Bij aij +rij Э = q Е K пр эi k пэ q = m K Wij ij 105 и тр.а j=1 i=k i=Э = q Е K k n BijS aij +rij ов эi k пэ q = m K Q а jK1 1ij и j=1 i=k i=Э = ( Э + Э ) k n пр ов 1 Fni ( aзi +rзi ) q = K Nk 100 з и i=1 j= ЭО = N·qO·Kпэ k n N р q = K Wij ч и i=1 j=k n Э = ( Этр.о + Эа +Эз +Эч +Э +Эо ) п i=1 j= Эч=qч·Еэ ·Kп э Эз=q3·Еэ · Kпэ Kэ = Эп/Эп.б. Эа=qa· Еэ ·Kп э Иэ = (1– Kэ ) ·100% Этp.о.= qтp.о. · Kп э ·Eэ Эм = Эп /N нет да Технология Э =14 Дж/кг эффективна м Рис. 2 – схема расчета энергозатрат в системе «ч–м–Ж/[с]» qтp.o; qa; qз; qч – удельные затраты использования тракторов, автомобилей и оборудования;

зданий и сооружений; труда человека на выполнение технологических операций; Bij – фактически перевезено или переработано сырья, грузов и т.п.; Wij – эксплуатационная производительность машин, агрегатов, оборудования; mij – масса машин, оборудования, агрегатов;

аij, rij – годовые нормативные отчисления на реновацию и ремонт; S – расстояние перевозки грузов; Qi – масса груза, перевозимого за один рейс; K1 – коэффициент использования пробега автомобилей; Nр – количество человек, занятых на выполнении работ; j – порядковый номер технологической операции, процесса, здания и т.п.; k – количество технологических операций, зданий, процессов и т.п.; Kи – коэффициент использования машин, оборудования, зданий в соответствующих технологических процессах (Kи = 0,76…0,98); Kиэ – коэффициент использования энергии (Kиэ = 0,79…0,98); Еэ – энергетический эквивалент машин, ресурсов, зданий и труда человека; Этр.о. – энергоемкость тракторов и оборудования; Эа – энергоемкость автомобилей; Эз – энергоемкость зданий и сооружений; Эч – энергоемкость затрат труда человека; Эпр – прямые удельные затраты энергии; Эов – удельные затраты энергии, овеществленные в энергоносителях; Еk – энергосодержание k-го энергоносителя; Еэk – энергетический эквивалент k-го энергоносителя; qэi – количество израсходованного энергоносителя на выполнение i-х работ; Эо – количество обменной энергии корма на производство молока; N – количество животных; Kэ – коэффициент энергоэффективности производства молока; Эп – полная энергоемкость проектируемой технологии; Эп.б. – полная энергоемкость базовой технологии; ЭМ – энергозатраты на производство 1 кг молока; Иэ – показатель уровня интенсификации производства молока Таблица 1 – ресурсо- и энергозатраты на производство молока Энергозатраты, Эм Расход ГДж МДж Виды ресурсов за год полные на прямые полные 1 кг молока Эл. энергия, МВт 967 3481,2 12037 4,Энергоресурсы для техничес20100 858,3 1045 0,кого обеспечения, кг Корма (обменная энергия Эо), 15375 – 15375 6,ГДж Техническое обеспечение 103000 – 12360 4,(оборудование), кг Здания и сооружения, м2 9600 – 1440 0,Труд человека, ГДж 2750 – 2750 1,Анализ таблицы показывает, что наибольшие затраты приходятся на электроэнергию, корма (обменную энергию) и техническое обеспечение (оборудование).

Согласно расчетам, Эм = 17,95 МДж/кг, Эо = 6,15 МДж/кг, следовательно, технология производства молока является неэффективной, превышая мировые значения соответственно на 3,95 и 1,03 МДж/кг.

Проведенные исследования были положены в основу разработки методики определения затрачиваемой работы отдельных объектов биотехнической системы на принципах био- и энергоконверсии (рис. 3).

Используя закон сохранения энергии, принимаем, что БТС работает стабильно, а величины затрачиваемой работы машины (Ам) и человека (Ач) постоянные (рис. 3). Работа, совершаемая животным (Аж) при доении, изменяется и равна сумме элементарных работ (Ажi) за время лактации:

n n Aж = A = f (Aж ), (1) жi i=1 i=где Аж – работа животного в период лактации, Дж;

n – число доек;

i – порядковый номер дойки;

Ажi – элементарная работа разовой дойки, Дж.

Работа, совершаемая животным при доении, зависит от работы доильной машины и характеризуется эффективностью молоковыведения, условиями взаимодействия сосков с сосковой резиной и величиной «наползания» доильных стаканов на соски вымени:

tK Aд = Kэ Skj(Rcj)Sdt, (2) t1 где Ад – работа доильной машины при доении, Дж;

Kэ – коэффициент энергоэффективности, (0 < Kэ < 1);

t1, t2 – время начала и окончания доения, с;

k – число доильных стаканов;

Skj – площадь контакта соска с сосковой резиной, м2 ;

j – число сосков;

Rcj – реакция соска при воздействии сосковой резины, Па;

S – величина «наползания» доильного стакана на сосок вымени, м;

t – лактационный период, с.

У, кг А, МДж 35 Аж = –0,0275х4 + 0,6977х3 – 6,2217х2 + 20,792х – 6,18Аж = f (Aж) Ам Sл Ач АЖ t, 103 с 146,341,48,9 97,6 195,2 244 292,8 390,4 439, Рис. 3 – модель энергоэффективного функционирования бтс Ам, Ач, Аж – работа, совершаемая машиной, человеком и животным в период лактации, МДж;

Sл – площадь под дифференциальной кривой, мПолная работа за весь период лактации равна сумме элементарных работ животного и доильной машины на отдельных бесконечно малых участках (дойках) на площади Sл:

Sл А = A f (Aж )dt (3), д где А – полная работа за время лактации, Дж;

Sл – площадь под дифференциальной кривой лактации, м2.

С целью создания энергоэкономных БТС были проведены исследования по их моделированию. Наиболее приемлемым для этого является машинное моделирование на ЭВМ. Для этого первоначально сформировали подсистемы, в состав которых вошли объекты, выполняющие технологические операции одной направленности: кормоприготовления и кормления (ПКРК), водоснабжения (ПВ), доения (ПДЖ), потоков продукции и отходов (ПППО), работы оператора (ПО), комфорта содержания (ПКС).

Построение модели системы «Ч–М–Ж/[С]» проводили на основе аналитико-имитационного подхода. Первоначально (рис. 4 (1) формируется статическая модель подсистемы путем введения значений случайных процессов Ui(t), характеризующих ее работу. Причем получение математического ожидания входной переменной U(t) находили по минимальному значению функции Р при условии, что задан интервал Tu реализации функционирования системы «Ч–М–Ж/[С]». Критерием оптимальности работы системы является максимум продукции при ограничениях затрат труда и энергии на производство продукции min(t) (рис. 4 (2).

В результате получена динамическая модель y(t) (рис. 4 (2), используемая в дальнейшем для синтеза подсистем в единую систему «Ч–М–Ж/[С]» (рис. 2 (3). Это позволило создать модели шести подсистем БТС, функциональность которых определяется по коэффициенту энергоэффективности Kэ:

Kэ = Эпр /Ээт, (4) где Эпр – полная энергоемкость проектируемой подсистемы, МДж;

Ээт – полная энергоемкость эталонной подсистемы, МДж.

Эффективность функционирования животного (Qб) БТС оценивали коэффициентом физиологичности технического обеспечения Kф:

Qб(t) = KфQте–kуt, (Kф = Qр/Qп), (5) где Qт – эффективность животного при отсутствии отказов;

k – коэффициент потока отказов;

у – параметр потока отказов эргатической системы;

t – время;

Qр и Qп – реальная и потенциальная продуктивность коров.

Исследования моделей показали, что на реализацию потенциала молочной продуктивности коров влияют все подсистемы по-разному. Так, например, при увеличении коэффициента энергоэффективности Kэ в интервале 0–0,28 наибольшее влияние на потенциал молочной продуктивности оказывает подсистема кормоприготовления и кормления, фактически это происходит до величины надоя 3000–3200 кг. Затем большее воздействие оказывает подсистема доения.

Исследования показали, что наиболее интенсивно подсистема доения влияет в интервале 4000–6000 кг. В этом случае коэффициент энергоэффективности составляет 0,54–0,72, а при 0,82 потенциал молочной продуктивности животного достигает 7840 кг.

Следовательно, подсистема доения при потенциале животного 8000 кг в год оказывает наибольшее воздействие на полную реализацию потенциала молочной продуктивности коров.

Энергоэкономность Биотехническая система Ч–М–Ж/(С) р = f (y = a + bx2 + cx0,5) р = f (y = a + bx1,5 + cх3 + dх0,5) ПДЖ ПППО Э = (3,3–8,3) МДж/кг Э = (1,6–2,2) МДж/кг р = f (y = a + bx2 + cех + dе–х) р = f (y = a + сx2/(1 + bх2 + dх4) ПКРК 3 ПО Э = (4,7–8,8) МДж/кг Э = (1,1–1,5) МДж/кг р = f (y = a + bx1,5 + cх2,5 + dех) р = f (y = a + bx3 + ce2) ПВ ПКС Э = (0,6–1,1) МДж/кг Э = (0,7–0,9) МДж/кг Неизвестная система Моделируемая динамическая система Блок параметрической оценки модели ошибка E p{y(t), (t) min (t) { } Динамическая модель y(t) = g(t, S)U (,t)dS U2(t) U3(t) U4(t) U5(t) U6(t) U1(t) Динамическая модель Рис. 4 – схема моделирования энергоэкономной системы «ч–м–Ж/[с]» Реализация потенциала молочной продуктивности возможна при условии, что возмущающие воздействия машин будут находиться в пределах адаптационно-компенсационных возможностей животного. Эта задача может быть решена, по нашему мнению, только с применением новой техники, индивидуально и адаптивно подобранной, настроенной и предварительно испытанной на универсальном контрольно-испытательном комплексе, входящем в состав подсистемы доения. Для этого необходимо разработать расчетные методики, позволяющие оптимизировать параметры доильных машин и испытательного оборудования и спроектировать комплекс.

Выполнение задачи проведено исследованиями по трем направлениям: реализационном (доильные машины), контролирующем (средства учета молока) и конструктивно-проектировочном (средства испытания доильных машин).

реализационное. В машинном доении наиболее важным процессом является доение. Поэтому проведены исследования процесса молоковыведения, позволившие разработать методику моделирования газожидкостных смесей при движении молока от соска к молокопроводу (рис. 5).

Гидравлический контур «молочная железа – доильная машина – счетчик молока – молокопровод» является единой замкнутой системой. Режим движения газожидкостной смеси зависит от интенсивности молокоотдачи и молоковыведения, характеристик доильной машины, диаметра и длины молочных шлангов и трубок и др. А это в свою очередь влияет на работу доильных машин и счетчиков молока. Поэтому необходимо знать свойства газожидкостной смеси. К ним относятся расход и скорость движения газожидкостной смеси, а также коэффициенты сопротивления и гидравлического трения шланга доильной машины.

Расход газожидкостной смеси в шланге доильной машины:

s P Qсм = 2g( - h), (6) смg с где с – коэффициент сопротивления шланга доильной машины;

S – площадь поперечного сечения молочного шланга, м2;

см – плотность газожидкостной смеси, кг/м3;

Р – потери давления, Па;

h – высота расположения средства учёта над коллектором доильной машины, м.

Показатели концентрации компонентов смеси: коэффициенты объемного и истинного газосодержания, а также физико-механические свойства, плотность и коэффициент динамической вязкости рассчитывали по методике А.Е. Кузьмина.

Рассматривая гидравлический контур «молочная железа – доильная машина – счетчик молока – молокопровод» как единую систему, выяснили, что импульс силы молекулы газожидкостной смеси зависит от высоты расположения кончика соска относительно нулевой линии h0 и интенсивности молокоотдачи. А импульс силы влияет на режим движения и расслоение газожидкостной смеси. В результате проведенных исследований выяснили, что наивысшая точность счетчиков молока обеспечивается при заполненности молочной трубки на 25–27%. Это можно обеспечить при соотношении 1,74 диаметров молочного шланга и молочной трубки dш = 15,7 мм, dт = 9 мм.

mV3 mVII mV1 mV5 II AAI I A0 Dz h0 S Рис. 5 – замкнутая система гидравлического контура «молочная железа – доильная машина – счетчик молока – молокопровод» 1 – молочная железа; 2 – доильный стакан; 3 – коллектор; 4 – молочный шланг; 5 – счетчик молока; 6 – молокопровод; h0 – нулевая линия; т. А0 – мнимая точка векторов скоростей движущейся газожидкостной смеси; h1 – средняя линия; h2 – верхняя линия; h3 – высота расположения кончика соска относительно h0; h4 – высота от h0 до входа в счетчик молока;

h5 – высота от h0 до центра молокопровода Следовательно, располагать счетчик молока необходимо на определенной высоте h4:

hdm K Q (mi vi sin)dh r dt h, (7) h4 = см g Sм Kcч где h4 – высота расположения счетчика молока, м;

Kr – критическое число Фруда;

mi – масса молекулы смеси, кг;

t – время движения молекулы смеси, с;

Q – расход газожидкостной смеси на заданном участке, м3/с;

vi – скорость молекулы смеси, м/с;

– угол вектора силы частицы смеси относительно центра коллектора;

см – плотность газожидкостной смеси, кг/м3;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

Sм – площадь сечения молочного шланга, м2;

Kсч – коэффициент сопротивления счетчика молока (1,03–1,07) h h h D h h i h h h h d ш Учитывая вышеизложенное и опираясь на концепцию энергосбережения, разработаны методики моделирования режимов работы и механизмов высокоскоростной доильной машины.

Анализ работ профессоров Ю.А. Цоя, Л.П. Карташова, В.Ф. Королева, А.Е. Кузьмина показал, что доильная машина должна работать в режиме, адекватном молокоотдаче животного. Рассматривая движение газожидкостной смеси на принципах энергоэффективности, определили комплексный коэффициент сопротивления движению смеси kR и его влияние на изменение давления в газожидкостной системе (рис. 6):

22 Sр2 l kR = - , + (8) 2qt Sр1 1+ 4R р где kR – комплексный коэффициент сопротивления движению газожидкостной смеси, Пас/кг;

22 – расход газожидкостной смеси, кг/с;

Sр1 – площадь сечения резервуара V1, м2;

Sр2 – площадь сечения резервуара V2,м2;

l – длина соединения резервуаров, м;

x – суммарный коэффициент местных сопротивлений на входе и выходе смеси;

Rр – гидравлический радиус, м;

l – коэффициент гидравлического трения;

q – коэффициент пористости газожидкостных шлангов, м–1;

t – время, с БББVVPр1 x Pр1 Sр2 PрPр1 x PрБ' Б'Рабочая камера Б'Рис. 6 – схема для определения коэффициента сопротивления движению газожидкостной смеси в доильной машине Коэффициент kR характеризует рассматриваемую систему с точки зрения разности давлений, которую необходимо создать между сечениями Б1 – Б'1 и Б2 – Б'2, чтобы расход газа через область соединения емкостей V1 и V2 составил 1 кг/с.

Дальнейшие исследования привели к выводу дифференциальных уравнений, позволяющих определить величину входного отверстия клапана при условии стабильного удержания доильного стакана посредством силы трения и минимально необходимую величину вакуумметрического давления в рабочей камере доильного стакана:

ddmp dd g ; (9) = Km3 pp1 kR dt dt S ddmp ;

= (Sр2 - Sр1) kR (10) dt kRX t t, (11) Pр1(t) = PP1 exp(- ) + Pр2(1- exp(- )) kR kmkRX kmkRX где dmp – диаметр входного отверстия клапана, м;

dpp1 – диаметр внутреннего регулировочного отверстия, м;

Km3 – коэффициент гидропневматической системы доильной машины, кг/Па;

KRX – коэффициент, учитывающий размеры отверстий клапанов при изменении температуры;

g – ускорение свободного падения, 9,8 м/с2;

S – разность площадей сечений Sp1 и Sp2, м;

kR – комплексный коэф. сопротивления гидропневматической системы, Пас/кг;

Sp1 – площадь сечения рабочей камеры, м2;

Sp2 – площадь сечения на входе в рабочую камеру, м2;

Рр1 – вакуумметрическое давление в рабочей камере, Па;

t – время молоковыведения, с;

Рр2 – давление на входе в рабочую камеру, Па;

Km – коэффициент емкостной гидропневмодинамичности, кг/Па.

В результате теоретических исследований выяснили, что регулирование вакуума в межстенной, подсосковой и присосковой камерах (соответственно уравнения 11, 12, 13) возможно путём управления воздушным и гидровакуумным потоками доильного стакана в зависимости от интенсивности молочного потока при минимальном болевом воздействии на сосок (рис. 7):

dp1 dpMK рп0 = р - kRkm1 - krx (km2 + km4) ; (12) dt dt t t pпc = pпc exp(- ) + pв (1- exp(- )) (13) ;

km3kR km3kR Рмк = + 2Cexp(-t)cos(t + ), (14) Sp1Spгде Pп0 – давление на входе в камеру, Па;

Рпc – давление в подсосковой камере доильного стакана для функции подсоскового давления, Па;

Pпс – начальные условия интегрирования для функции подсоскового давления, Па;

t – время молоковыведения, с;

Km3 – коэффициент гидропневматической системы доильной машины, кг/Па;

kR – коэффициент комплексного сопротивления гидропневматической системы, Пас/кг;

Pв – вакуумметрическое давление в магистрали, Па;

km1 – константа, характеризующая изменение давления на входе, кг/Па;

krx – коэффициент, характеризующий изменение клапанного отверстия в межстенной камере доильного стакана;

km2 – константа, характеризующая изменение давления при соединении межстенной и подсосковой камер доильного стакана;

Рmk – давление в межстенной камере доильного стакана, Па;

0, – константы, имеющие размерность времени и характеризующие длительность переходных процессов в доильной машине, с;

– безразмерная величина;

С – корень уравнения (l2C + l1C + 1) = 0;

Yj – функционал Это позволит выдаивать животных с продуктивностью выше 3500 кг/год в течение 3–5 минут, что соответствует физиологическим требованиям (ИСО5707). Необходимая скорость молоковыведения будет достигнута за счет уменьшения такта сжатия и увеличения такта сосания, что обеспечит режим движения газожидкостной смеси с минимальным количеством воздуха, позволяя сократить энергозатраты. Проведенные исследования легли в основу методики моделирования режимов высокоскоростной доильной машины для достижения максимальной производительности при высокой степени адаптивности к животному (рис. 7).

контролирующее. Анализу различных видов средств учета молока посвящены работы многих исследователей, среди которых можно отметить А.С. Астахова, А.И. Зеленцова, Л.П. Карташова, В.В. Кирсанова, А.Е. Кузьмина, Г.А. Москвина, С.А. Соловьёва, Ю.А. Цоя и др.

Одним из главных недостатков счётчиков молока является достаточно высокая погрешность измерения.

Получена уточнённая модель, позволяющая рассчитать вязкость смеси в широком интервале изменяемых параметров: содержания жира (от 0,5 до 6,0%), белка (от 2,8 до 6,0%), температуры (от 5 до 40°С):

= 2,21103(72,402 + 26,24Б +1)exp[(0,572 + 0,8) - (0,0286 + 0,04) t, (15) где – погрешность показаний счетчика молока, %;

t' – температура газожидкостной смеси;

h – коэффициент массового газосодержания;

j – 0,5–6% – коэффициент истинного объемного газосодержания;

Б – 2,8–6% – эмпирический коэффициент.

Пуск Pk, Па Синтез функц. схемы Pkдоильной машины 0 t t kPk 0 k1 Схема Нет удовлетворяет да t, c требования м, P м Па k, Па t t 2 2 max Pмk max Построение индикаторных диаграмм Pвкл Pск ск отк Pотк Tc 4 Диаграмма Нет удовлетворяет да t, c требованиям t сн t сж Тсж Pпс Па, Pпс max Pпс Приближение диаграмм t вкл моделями t t, c нет Диаграмма да имеет степень соответствия 95% Pk, Па Определение параметров Pk Р0, Рпc, Pмк t 8 Pk 0 kОпределение конструктивных t, c параметров доильной машины, Па Pм k t 2 t 9 Скорость молоко- нет выведения да Pмk max Pвкл соответствует ск P требованиям отк P t, c t сж Тсж P, пс Па Анализ результатов P max пс P пс 11 Конструкция нет удовл етворяет да t вкл техническим t требованиям t t, c Конец Рис. 7 – схема моделирования параметров высокоскоростной доильной машины Расчеты показали, что вязкость газожидкостной смеси, как и вязкость молока в отдельности, для рассматриваемого диапазона температур 20° < t < 30° практически неизменна, следовательно, незначительно влияет на процесс доения и погрешность показаний счётчиков молока.

Известно, что суммарная погрешность складывается из систематической и случайной. Определили функции для этих двух составляющих общей погрешности. На систематическую погрешность оказывают влияние такие параметры, как углы установки устройства в вертикальной () и горизонтальной () плоскостях на молокопроводе, а также физико-химические свойства молока (плотность, жирность). На случайную же погрешность оказывают влияние интенсивность молокоотдачи, колебания вакуумметрического давления и расход воздуха коллектором, а также коэффициенты сопротивления и гидравлического трения шланга доильной машины. В результате получено выражение суммарной погрешности средств учёта молока:

df df df df df = сист + сл = + + + + + d d d d d (16), 2 + f Qм + f (Qв ) + f Pвак f ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) где сист, сл – соответственно систематическая и случайная погрешности;

, – параметры, характеризующие установку счетчика по уровню;

, – плотность и жирность молока соответственно;

– разрешающая способность устройства (цена деления шкалы, дискретность отсчета соответствующих порций);

f (Qм), f (Qвак), f (Qв) – функционалы элементарных ошибок, зависящие от интенсивности молокоотдачи, колебаний вакуумметрического давления, расхода воздуха и т.п.

В качестве критерия, описывающего характер и режим движения газожидкостной смеси, был принят критерий Рейнольдса Re.

Для надежного функционирования доильной машины, в заданном диапазоне энергоэффективности, необходимо точно и своевременно реагировать на изменение величины потока газожидкостной смеси, проходящей через счетчик молока. Погрешность средств учета должна находиться в заданных пределах контрольной карты Шуэрта.

конструктивно-проектировочное. При разработке методики обоснования имитационных параметров оборудования для испытания доильных машин наиболее сложным является математическое описание морфологических характеристик молочной железы лактирующего животного в процессе извлечения из вымени молока. Проблема заключается в том, что анатомические, морфологические характеристики сосков и вымени и физиологические особенности коровы изменяются во времени. Для этого использовали результаты рентгеноскопии сосков и провели математическое описание их контуров.

Функция, определяющая характер и конфигурацию соска имеет вид:

Y = a + bx + cx1,5 + dx2 + gex, (17) где а, b, c, d, g – коэффициенты уравнения;

х, у – координаты контура соска.

Полученные уравнения были использованы для определения оптимальной величины заглубления искусственных сосков в доильные стаканы и амплитуды их поперечных колебаний. Это дало возможность установить фактическую площадь поверхности искусственных сосков при деформированном состоянии. Площадь поверхности соска определили так:

lS = 2 1+ Y '2 dx, (18) ( ) Y lгде l1 – нижняя граница длины соска, м;

l2 – верхняя граница длины соска, м;

Y'2 – производная от функции Y, возведенная в квадрат.

Изменение объема соска вымени Vc, с учётом его деформации в доильном стакане, можно представить в виде полинома:

3 4 5 2,5 b2 x2 c2 x2 d2 x2 g2 x2 2 xx Vc = (a2 x2 + + + + e2x + 2ac + abx2 + 2ad + + ( ) 3 4 5 2 2,5 3 4 4,x2,5 x2 xx+2ag ex -1 + 2bc + 2bd + 2cd + 2bg ex x2 -1 +1 + ( ) ( ) ( ) (19) 3,5 4 4,2,5 3 4,5 5 6,5 7,x2 x2,5 x2 x2,5 x2 x+4dg(ex (0,5x2 - x2 -1) +1) + 2cg( + + + + + )), 2,5 3,5 9 33 156 9, где а, b, c, d, g – коэффициенты полинома;

х2 – максимальная длина соска в момент рентгеноскопии при молоковыведении, м.

Реакция соска при воздействии сосковой резины равна:

cqR3 b a (1) ( Rc = - + 0.25A3) )(sin + sin )d, (20) (A0 B R R где B = Eh(1 – µП)2 – функционал, характеризующий упругие свойства соска;

Е – модуль упругости первого рода, Па;

h – толщина стенки соска, м;

µП – коэффициент Пуассона;

Ао(1), Ао(2) – постоянные интегрирования ( ј = 1, 2, 3, 4);

R – радиус молочного канала соска, м;

q – распределенная нагрузка на сосок при сжатии сосковой резиной, Па.

Рассматривая доильный стакан как некоторое движущееся тело, полагаем, что в точке А на наружную поверхность соска воздействует сосковая резина посредством вакуумметрического Y давления Р (рис. 8). В результате, в точке А возникает сила трения Т. Направление скорости v доильv P ного стакана в точке А составляет угол j с осью Х. В связи с тем, что A N X j в момент сжатия сосковой резины сосок в поперечном сечении принимает форму эллипса, меняется тангенциальная составляющая T силы трения Т, так как меняется радиус-вектор эллипса относительно центра соска. Тогда составляющие коэффициента трения по Рис. 8 – схема распределения направлению v выразим зависимо- сил при взаимодействии стями: соска с сосковой резиной fxfy cos (1 + k sin fx = 2 2 2 fy cos + fx sin (21) , 2 fxfy sin (1 - k cos ) fy = 2 2 2 2 fy cos + fx sin где k – суммарный коэффициент упругости тканей соска.

Проведя преобразования, получили такие зависимости:

a b cos X = ; (22) b2 cos2 + a2 sin2 a b sin Y =. (23) b2 cos2 + a2 sin2 Анализируя особенности взаимодействия сосков вымени животных различных типовозрастных групп с сосковой резиной, выяснили, что даже фактическая площадь поверхности соска при его деформированном состоянии значимо отличается от действительной контактной площади, которая в результате соответствующих вычислений может быть определена через радиус-вектор (рис. 9):

a b R =. (24) b2 cos2 + a2 sin2 Проведенные исследования были положены в основу модели искусственного соска, в котором учтены не только реальный объём и контактный контур, но и динамика изменения шероховатости его кожного покрова. Такой подход позволил определить фактическую площадь контакта искусственного соска с сосковой резиной доильного стакана, определяемую выражением (рис. 9):

2 2 0,5 0,75Kш r0,5 1- µ2 2+1 q 2+( ) П (25) SK = , 20,5 K h0,5 Es где Sк –площадь касания соска с сосковой резиной, м2;

n – коэффициент, учитывающий шероховатость сосковой резины;

Kш – коэффициент, учитывающий шероховатость соска;

r – радиус закругления выступов, м;

µП – коэффициент Пуассона;

K – коэффициент, учитывающий сближение расстояний между выступами по высоте;

h – высота шероховатости соска, м;

q – распределенная нагрузка на сосок при сжатии сосковой резиной, Па;

Es – суммарный модуль упругости соска и сосковой резины, Па.

Зависимость (25) показывает, что фактическая площадь касания прямо пропорциональна радиусу выступов r, распределенной нагрузке q и обратно пропорциональна суммарному модулю упругости соска Еs, максимальной высоте неровностей и параметрам, характеризующим геометрию поверхности соска hmax, b, n и K.

R Контур M A Рис. 9 – контур М, отсеченный радиус-вектором R. поверхность фактического контакта соска с сосковой резиной Дальнейший анализ изменения конфигуративных и контактных параметров искусственного соска позволил синтезировать систему уравнений для оценки потенциальной П и кинетической Т энергий взаимодействия стенок соска с сосковой резиной:

2 2 2 2 2 2 1 d W d W d W d W d W = + + 2 + 2(1- ) dXdY П 2 2 2 2 dxdy d dX dX dX dX (26) T = hW dxdy, Sk где П – потенциальная энергия взаимодействия соска с сосковой резиной, Дж;

W – перемещение точек срединной плоскости в направлении, перпендикулярном вертикальной оси соска, м;

D – постоянный множитель, учитывающий технологические свойства соска, (D = E h3 /12(1- µ2 ));

П Е – модуль Юнга, кг/мм2;

µП – коэффициент Пуассона, Па;

Т – кинетическая энергия взаимодействия соска с сосковой резиной, Дж;

– среднее значение плотности тканей соска, кг/м3.

В результате было получено математическое выражение зависимости упругости соска Рс от поперечных колебаний его стенок при взаимодействии с сосковой резиной в каждый конкретный момент времени t от начала доения:

2 2 2 2 2 dc dcW dc dcW dc dcW Pc(x2;h;t) = D + D + D + dx2 dx2 dy2 dy2 dx2 dy (27) 2 2 2 2 dc dcW dc dcW dcW + D + 2(1- ) D - h, dy2 dx2 dxdy dxdy dtгде t – момент времени контакта соска с сосковой резиной, с;

dс – диаметр соска, м.

На основе проведенных исследований физиологической и морфологической активности молочной железы сформированы теоретические основы для создания испытательного оборудования с физиологической моделью функциональных характеристик искусственного соска.

В третьей главе «результаты экспериментальных исследований» для подтверждения теоретических исследований были спланированы опыты и спроектировано оборудование – комплекс для испытания доильных машин и средств индивидуального учета молока. Проведены лабораторные и производственные испытания разработанных машин.

Изучали влияние шести количественных факторов подсистем, составляющих БТС «Ч–М–Ж/[С]», на надой молока Y(t) в выбранной для экспериментирования локальной области факторного пространства, определяемого уровнями Xji = 1; 0,8; 0,6; 0,4; 0,2. За критерий качественной работы подсистем приняли величину надоя в течение одной лактации.

Функцию надоя представим так:

Y = x1, x2 x1x6, x3 x1x6, x4 x1x6, x5 x1x6 ( ) ( ) ( ) ( ), (28) где х1, х2, х3, х4, х5, х6 – коэффициенты, характеризующие качество функционирования подсистем: работы оператора (ПО), кормоприготовления и кормления (ПКРК), водоснабжения (ПВ), комфорта содержания (ПКС), доения (ПДЖ), потоков продукции и отходов (ПППО).

Составили план эксперимента. Надой молока, рассчитываемый моделью, является случайным процессом y(t), 0 ti t. Состояние моделируемой системы проверяется каждые ti временные интервалы (сутки) и вычисляется значение y(jti), j = 0,k. Процесс y(t) оценивался по свойствам k-мерного вектора вида:

y = (y(0), y(ti ),..., y[(k -1)t], y(t),t = kti.

(29) Провели испытания машинных моделей и регрессионный анализ полученных результатов. Это позволило построить поверхности отклика, показывающие изменение величины надоя молока от эффективности функционирования подсистемы от 0 до 1. Результаты представлены в таблице 2. Анализ поверхностей отклика показал, что наибольшее влияние на надой в интервале K1 = 0–0,3 оказывает подсистема кормления, а далее подсистема доения (рис. 10), подтверждая гипотезу и теоретические расчеты о наибольшем влиянии технического обеспечения на реализацию потенциала молочной продуктивности коров.

Таблица 2 – снижение надоя (%) в зависимости от качества функционирования подсистем Коэффициент эффективности функционирования подсистем Kэ (K1) Подсистема 1 0,8 0,6 0,4 0,ПКРК 2 4,62 24,3 36,5 43,ПВ 3,08 4,28 20,7 31,3 38,ПДЖ 3,24 4,03 18,9 29,8 36,ПППО 3,27 3,89 17,1 24,9 32,ПО 3,17 4,01 19,4 30,5 37,ПКС 3,29 3,81 16,4 20,8 30,Для апробирования работы технических средств подсистемы доения, модель которой создавалась по указанным критериям, был создан экспериментальный комплект специального оборудования, позволяющий исследовать ее в различных проявлениях. В частности, для испытания доильных машин разработан контрольно-испытательный комплекс. Все блоки комплекса проектировали на основе математического моделирования, позволяющего совместно с ЭВМ избегать жестких производ- 80ственных экспериментов, оперируя 70математическими моделями.

60На рисунке 11 приведена 50структурно-логическая схема 40контрольно-испытательного ком30плекса, работающего на принципе 20адаптивного воспроизведения ана1,100,томических и морфологических 0,свойств вымени и физиологиче- 1,0,0,8 K0,0,ских особенностей коров (7 пат.

0,0,K1 0,2 0,на изобр.). При использовании комплекса удается в значительной Рис. 10 – трехмерная поверхность мере сократить время испытаний и подсистемы доения избавиться от влияния ряда возмуK1 – коэффициент энергоэффективности;

щающих факторов (кормления, наK2 – коэффициент эффективности функционирушения стереотипа доения, услорования подсистемы вий внешней среды и др.). Анализ работы комплекса показал, что его применение позволяет снизить энергозатраты, сократить время испытаний, исключить травмирование коров, снизить затраты денежных средств и времени от создания до внедрения в производство доильных машин.

Испытательный комплекс включает электронную систему, в которой программное обеспечение реализует сбор и регистрацию всех выходных сигналов датчиков. Диапазоны входных напряжений блоков, модулей и клапанов с гальваноразвязной варьируют до 0,125 мА, при этом погрешность составляет не более 0,1% измеряемого диапазона. Для систематизации результатов эксперимента применяется модуль формирования дискретных величин, включающий контроллер, плату сопряжений, последовательный интерфейс «Манчестер-2», блок коммутации, датчики, компьютер и др.

Уникальностью применения комплекса является проведение испытаний доильных машин по двум направлениям: подбор лучшей для животного или группы животных аналогов и выбор лучшей из числа всех имеющихся.

После испытаний доильной машины результаты выводятся на монитор компьютера. Для этого разработана программа «Комплекс» (язык Delphi). Ее уникальность заключается в возможности выявления лучшей доильной машины по наибольшей вероятности соответствия кривых молокоотдачи и молоковыведения P(к) и наименьшим значениям величины «наползания» доильных стаканов H, количества имитатора молока при обратном токе V и давления сосковой резины на искусственные соски Ri.

Испытания доильных машин проводили с использованием лазерных датчиков для определения величины «наползания» доильных стаканов на искусНадой, кг БВД БДМ БИС БДП БОТ ДА БДС ДВ БДД МЭ УК ЦП ПО М П1 П2 ПМ УР ПИ МВВ -------------------------- – непосредственное соединение; – – – – – эл. сигнал Рис. 11 – структурно-логическая схема испытательного комплекса БВД – блок внутривыменного давления; БИС – блок искусственных сосков; БДД – блок датчиков давления сосковой резины; ПО – программное обеспечение; М – монитор; БОТ – блок измерения обратного тока молока; ДА – доильный аппарат; БДП – блок датчиков перемещения доильных стаканов; БДС – блок датчиков скорости молоковыведения; ДВ – датчик весового контроля имитатора молока; БДМ – блок датчиков скорости молокоотдачи; УК – управляемый контроллер; П1…ПМ – привод испытательного устройства; М – модуль экспертный;

УР – усилитель реле; МВВ – модуль ввода–вывода информации; ПИ – последовательный интерфейс; ЦП – цифровой преобразователь; МЭ – модуль экспертный ственные соски (рис. 12). При этом использовали разработанную программу «Offset Count». Ее особенностью является возможность мгновенного получения величин «наползания» доильных стаканов и совершаемой работы на мониторе компьютера в режиме on-line. Результаты испытаний четырех моделей доильных машин по разработанной методике показали, что лучшей является экспериментальная доильная машина. Величина «наползания» доильных стаканов оказалась наименьшей при одинаковом вакуумметрическом давлении.

Величина работы, затрачиваемая при доении, также наименьшая: А = 37 кДж.

Для изучения интенсивности молоковыведения доильных машин исследовали влияние трех факторов: внутривыменного давления Рвн.вым кПа, вакуумметрического давления в доильной машине Рвак кПа, тугодойности Qт м3/с.

Провели испытание серийных машин и экспериментальной, прошедшей испытания на контрольно-испытательном комплексе (табл. 3).

АДУ-1 (А = 158) АДУ-1.03 (А = 101) НУРЛАТ (А = 82) ЭКСПЕРТ (А = 37) 60 120 180 240 300 360 420 480 540 t, c Рис. 12 – модель автоматического определения величины «наползания» доильных стаканов и работы доильных машин Обработку полученных данных провели в программных средствах MathCAD Professional 2001 и Microsoft Office Excel 2007. Вероятность соответствия кривых молокоотдачи и молоковыведения наиболее высокой оказалась у «экспериментальной» доильной машины P(К) = 0,957 (Р < 0,05), что показывает ее превосходство над серийными моделями.

Таблица 3 – результаты испытаний доильных машин Марка доильной машины АДУ- ЭкспериАДУ-1 АДС-1 Нурлат 1.03 мент.

Частота пульсаций, пульс/60 с 65±5 67±5 48-60 50-60 67±Соотношение тактов сосание/сжатие 66-34 65-35 73-27 60-40 70-Вакуумметрическое давление, кПа 48±1 45±1 47-49 18-46 45±Критерий согласия А.Н. Колмогорова, К 0,64 0,57 0,68 0,56 0,Вероятность соответствия кривых моло0,824 0,832 0,692 0,801 0,9коотдачи и молоковыведения, P(к) Провели испытания доильных машин на контрольно-испытательном комплексе при имитации различных анатомических, морфологических характеристик сосков и вымени и физиологических особенностей коровы. На рисунке представлены 3D графики изменения интенсивности молоковыведения доильными машинами в зависимости от вакуумметрического давления и тугодойности имитируемых животных.

Анализируя графики, становится очевидным, что характер изменения интенсивности молоковыведения у всех машин имеет сходство при различном Н, мм вакуумметрическом давлении. При вакуумметрическом давлении меньше нижнего предела по техусловиям (35 кПа) доильные машины не обеспечивают необходимую интенсивность молоковыведения. Повышение вакуумметрического давления до 45 кПа ведет к увеличению интенсивности молоковыведения. Дальнейшее повышение вакуумметрического давления не влияет на интенсивность молоковыведения.

y, 10–5 м3/с y, 10–5 м3/с y, 10–5 м3/с y, 10–5 м3/с 4,64 3,3,4,3 3,3,3,97 2,3,3,63 Q, 10–5 3,31 2,м3/с 3,3 1,Q, 10–3,09 Рвак, 2,96 1,м3/с 2,86 кПа 2,83 1,2,40 48,48,33 48,56,67 4 56,67 56,65 Q, 10–5 м3/с 0 65 Рвак, кПа Рвак, кПа Экспериментальный АДУ-Нурлат Рис. 13 – Графики изменения интенсивности молоковыведения от вакуумметрического давления и тугодойности Было установлено, что при изменении тугодойности животного (Х1) и вакуумметрического давления в доильной машине (Х2) интенсивность молоковыведения (Y) изменяется по квадратичной зависимости:

«Нурлат»: Y = 2,7 + 0,151Х1 – 0,008Х2 – 0,00001Х1Х2 + 0,0002Х22 – 0,0028Х12;

АДУ-1: Y = 2,363 – 0,055Х2 – 0,166Х1 + 0,0033Х1Х2 + 0,00058Х22 + 0,023Х12;

«Экспериментальный»: Y = 17,908 – 0,67Х1 + 0,001Х1Х2 + 0,0005Х22 + + 0,019Х12.

Наиболее значимым по вкладу параметром в модели интенсивности молоковыведения является тугодойность. Увеличение тугодойности до 0,6310–5 м3/с снижает интенсивность молоковыведения в два раза.

Проведены производственные испытания (СПК им. Шевченко) доильных машин и выявлены существенные различия в процессе молоковыведения доильной машиной, настроенной по техническим условиям на эксплуатацию и режимы которой установили с помощью испытательного комплекса (табл. 3).

Экспериментальная доильная машина практически полностью исключает из технологического процесса такие операции, как машинное додаивание и заключительный массаж (табл. 4).

Это происходит вследствие незначительного «наползания» доильных стаканов на соски вымени коров, поэтому молочные каналы сосков не перекрываются и молоко выводится практически полностью. Увеличение молочного жира в опытной группе, по сравнению с контрольной, составило 6%, при этом разница достоверна для 95% (Р<0,05) уровня значимости.

Результаты испытаний показали, что если в среднем удой четырех коров «экспериментальной» машиной составил 11 кг, то другие доильные машины выдаивали на 1,4–1,2 кг молока меньше (табл. 4). Также лучшие показатели у экспериментальной машины по всем другим показателям. Полученные данные свидетельствуют, что при доении лучшей доильной машиной или специально подобранной к группе коров-аналогов продуктивность коров продолжает увеличиваться и за лактацию возрастает на 110–140 кг на голову.

Таблица 4 – результаты влияния режимов работы доильных машин на процесс молокоотдачи коров Доильная машина Параметры «Нурлат» АДУ-1 Экспериментальная Разовый удой, кг 9,6 9,8 Жирность молока, % 3,58±0,05 3,63±0,06 3,72±0,Величина додоя, с 0,18 0,16 0,Время доения, с 311,6 311,7 301,Средняя интенсивность 1,8410-5 1,8810-5 2,1110-молоковыведения, м3/с Молоко однопроцентной 40,112 43,103 49,7жирности, кг Коэф. физиологичности, Kф 0,83 0,81 0,Эти преимущества доказывают целесообразность использования контрольно-испытательного комплекса для установления режимов работы доильных машин по индивидуальным анатомическим, морфологическим характеристикам сосков и вымени и физиологическим особенностям коров.

Проведены испытания по определению величин давления сосковой резины на искусственный сосок в процессе доения при вакууме 42; 45 и 48 кПа.

Испытывали доильные машины АДУ-1, АДУ-1.09 и АДУ-1.03.

Обработка результатов эксперимента по программе Statistica v6.0 показала, что эффективность взаимодействия сосковой резины с искусственным соском в наибольшей степени характеризуется величинами давления сосковой резины в нижней R1 и средней R2 частях искусственного соска и величиной «наползания» доильных стаканов H. Эти величины зависят от вакуумметрического давления под соском Рпс и относительного натяжения сосковой резины Dl:

R1 = 16,1 + 1,124Pпс + 1,113Dl + 0,397Pпс + 0,397Dl2 + 0,335DlPпс;

R2 = 9,753 + 0,899Pпс + 0,817Dl + 0,68Pпс – 0,701Dl2 – 0,017DlPпс; (30) S = 298,1 + 35,72Pпс + 7,18Dl – 25,12Pпс + 2,31Dl2 + 25,17DlPпс.

Наибольшее влияние на величину «наползания» H доильных стаканов оказывает увеличение вакуумметрического давления Рпс в подсосковой камере. При величине Рпс = 55 кПа H достигает 18 мм, превышая допустимую величину H на 6 мм. Это приводит к перекрытию молочного канала соска на 92%.

Используя результаты испытания доильных машин, установили диапазон их энергоэффективного функционирования (рис. 14). Выяснили, что наименьшую работу, равную 9,44 кДж, доильная машина выполняет при вакууме 40 кПа, интенсивности молоковыведения 0,017 кг/с, а наибольшую – соответственно при 50 кПа и 0,083 кг/с, равную 14,23 кДж. Очевидно, такой широкий диапазон возник по причине изменения вакуумметрического давления и скорости молоковыведения, работы пульсатора и коллектора, свойств сосковой резины и ее натяжения, потому что все это непосредственно влияет на величину действительной площади контакта сосковой резины и искусственного соска. Также было установлено, что величина «наползания» доильных стаканов минимальная Hmin = 8,9 мм при вакуумметрическом давлении 40 кПа, а максимальная Hmax = 12,94 мм при 50 кПа. Сравнение полученных данных с техническими нормативами подтвердило сходимость результатов на 95% (Р < 0,05), что является достоверным для научных исследований. Значит, комплекс адекватно воспроизводит анатомические, морфологические характеристики сосков и вымени и физиологические особенности молочного животного.

, мм H А, кДж 12,12,9,8 Р, кПа 40 45 Q, кг/с 0,017 0,05 0,0Alfa Laval agri АДУ-1.Нурлат Экспериментальный Рис. 14 – диапазон энергоэффективного функционирования доильных Другой важной проблемой при доении является качественная работа средств учета молока. Средства учета молока оказывают непосредственное влияние на режимы функционирования доильных машин (додой, изменение режима вакуумметрического давления, отключение). Решение этой проблемы возможно путем применения специального оборудования и проведения лабораторных исследований. Испытательный комплекс должен обеспечивать высокую точность и определение погрешности измерений, возможность формирования газожидкостной смеси различной плотности, широкий диапазон рабочих расходов воздуха и вакуумметрического давления, имитацию различных режимов движения смеси. Для этого разработана структурно-функциональная схема, на основе которой спроектирован испытательный комплекс, в котором подвесная часть доильной машины заменена трубчатым турбулентным аппаратом (рис. 15). Провели испытания со счётчиком УЗМ-1А.

Для достижения необходимого коэффициента Рейнольдса применяли трубчатые аппараты с различным числом секций.

5 6 Рис. 15 – структурно-функциональная схема испытательного комплекса с узлом, моделирующим газожидкостную смесь различной плотности, и режим её движения 1 – несущая конструкция; 2 – общая ёмкость для молока (заменителя); 3, 7 – запорные краны;

4 – регулятор-расходомер молока; 5 – коммутатор; 6 – ПК; 8 – регулятор-расходомер воздуха; 9 – трубчатый турбулентный аппарат диффузор-конфузорной конструкции; 10 – штатив;

11 – проверяемый счётчик; 12 – кронштейн; 13 – вакуум-трубопровод; 14 – вакуумметр;

15 – регулятор вакуумметрического давления; 16 – пульсатор; 17 – доильное ведро; 18 – электронные весы, 19 –цифровая фотокамера, 20 – источник света Эксперименты проводили на установленной горизонтально стеклянной трубке с периодически меняющимся сечением, состоящей из двух, четырёх и шести элементов типа «труба Вентури» (размеры элемента – диаметр конфузора dк = 0,01 м, диаметр диффузора dд = 0,014 м, длина диффузора L = 0,055 м, угол раскрытия диффузора = 36°). Расходы жидкости и газа измерялись расходомерами Side-Trak (модель 830/840) и Тор-Тrak (модель 820S) соответственно. Проводили макросъемку движения газожидкостной смеси с использованием фотовспышки. Размеры пузырей измеряли лазерной линейкой. Полученные значения применяли для определения режима движения газожидкостной смеси, состав которой определялся расходом молока и воздуха.

В качестве варьируемых параметров, влияющих на погрешность счётчиков молока, были выбраны: вакуумметрическое давление Рвак – Х1, интенсивность молокоотдачи Qмол – Х2, расход воздуха коллектором доильного аппарата Qвоз – Х3, температура молоковоздушной смеси t – Х4, высота расположения счётчика Н – Х5. За выходной параметр принята погрешность средства учёта молока – Y. Обработку экспериментальных данных проводили с использованием программы Statistica v6.0.

В результате получена регрессионная модель относительной погрешности:

2 y = 0,1653 х1 – 0,0025 х2 – 31,6229 х3 + 0,6891 х3 – (31) – 0,0048 х3 – 0,0744 х5 + 0,0001 х52 + 15,7083.

Анализ этой модели показывает, что с увеличением расхода жидкости и вакуумметрического давления погрешность растёт. Это объясняется увеличением скорости движения потока. Поэтому нарушаются условия пропорционального отбора и увеличивается его продолжительность, а следовательно, и количество отбираемой жидкости. Следует отметить, что допустимые значения относительной погрешности получаются при величине молоковыведения (1,1…1,3) 10–5 м3/с.

Резкий рост погрешности наблюдается при расходе воздуха коллектором доильного аппарата более 1,6 10–4 м3/с. Это связано с тем, что не весь воздух отделяется от газожидкостной смеси при попадании в приёмную, а затем в мерную камеры счётчика. В результате, во время опорожнения мерной камеры осуществляется отбор жидкости и воздуха, поэтому показания оказываются заниженными. Изменение скорости потока газожидкостной смеси влияет на положение мнимой точки пересечения векторов скоростей газожидкостных потоков в коллекторе. Это происходит вследствие изменения угла вхождения потока в коллектор относительно нулевой линии h0. При максимальной величине угла = 48° газожидкостная смесь получает наибольший импульс силы.

Вследствие этого расслоение газожидкостной смеси происходит на максимальной высоте h4 = 1,4 м. Это наибольшая высота расположения счетчика при минимальной погрешности измерения. Увеличение коэффициента Рейнольдса ведет к повышению погрешности счётчика. Это объясняется тем, что при увеличении турбулентности увеличивается степень смешивания и растворения воздуха в молоке, затрудняется отделение воздуха от газожидкостной смеси.

Таким образом, при помощи комплекса можно провести предварительные испытания проектируемых динамических счетчиков молока, которые имеют наибольшее распространение на МТФ.

Проведенные расчёты по методике (рис. 4) показывают, что внедрение новой энергоэкономной, индивидуально подобранной техники на МТФ позволяет снизить совокупные затраты на 32 МДж на одно животное при достижении потенциала молочной продуктивности (рис. 16).

Удой, кг 22 = Q2 - Q1 = 32 МДж ЭО 2Q1 = (a + bx1,6 + cx3 + dx 0,9 )dt 25 2Q2 = + bx1,4 + cx3 + dx0,)dt 10 (a Суточная потребность 95 120 145 170 195 220 2Эо, МДж – при индивидуальном подборе доильного оборудования – традиционная технология (по данным хозяйства) – расходуется на стресс, болевые воздействия, мастит, = Q2 - Q1 = 32 МДж ЭО торможение рефлекса молокоотдачи Рис. 16 – Энергозатраты на удой коров На основании исследований для условий Оренбургской области можно предложить следующие принципиальные направления и технологические решения молочных ферм.

При энергообеспеченности до 20000 МДж Эо на одну корову, следует использовать преимущественно привязное содержание животных с мобильной раздачей кормов и навозоудалением стационарными механическими средствами (рис. 17, зона III) или переводить коров на подсосный метод выращивания телят (зона IV).

Молочные фермы с энергообеспеченностью 20000 – 30000 МДж Эо на одну корову реконструировать под беспривязное содержание в боксах, комбибоксах или на соломенной периодически сменяемой подстилке, с мобильной раздачей кормов, доением в доильном зале на установке типа ПДУ-8, бульдозерным удалением навоза ферм (рис. 17, зона II).

3 x Q1 = a +bx + ce Э, МДж/кг IV III II I IV III II I 2 x –x Q2 = a + bx + ce + de 3 20010000 30000 400Эо, МДж – электроэнергия Q1 – надой голштин фризской породы Q2 – надой красностепной и симментальской – жидкое топливо пород – обменная энергия Э – ресурсо- и энергозатраты на производство – оборудование молока – здания и сооружения Рис. 17 – Энергодиапазон эффективного функционирования лактирующих коров При энергообеспеченности более 40000 МДж Эо на одну корову целесообразно использовать автоматизированные доильные установки типа «Елочка», «Тандем» отечественного и зарубежного производства (рис. 17, зона I).

Это дает возможность не только повысить производительность труда при производстве молока, но и внедрить автоматизированную систему управления производственными процессами (менеджмент стада), т.е. значительно интенсифицировать молочную отрасль.

Производственные испытания совместной работы доильных машин и счетчиков молока провели в хозяйствах Оренбургской области. Отбирали две группы по пять коров, по принципу аналогов, учитывали анатомические и морфологические свойства сосков и вымени и физиологические особенности животного. Контрольную группу доили серийным аппаратом АДУ-1.03, опытную – АДУ-1.03, прошедшим настройки на контрольно-испытательном комплексе (соотношение тактов сосание/сжатие 30–70, Рвак = 45 кПа, минимальное «наползание» доильных стаканов, молоковыведение соответствует молокоотдачи). Во время учетного периода ежедневно проводили индивидуальный учет надоев молока от каждой коровы. Массаж вымени перед доением не проводили. На первой минуте доения у коров брали пробы крови и проводили биохимический анализ. Использовали гематологический анализатор РСЕ90VT, анализатор OSMETECH OPTICCA, биохимический анализатор и др.

Таблица 5 – продуктивность, затраты энергии и состав молока Группа Показатели контрольная опытная Суточный удой, кг 12,86 14,Затрачено обменной энергии, Эо, Дж/кг 5,1 5,Качество молока: молочный жир, % 3,82 4, белок, % 2,96 3,Коэффициент энергоэффективности, Kэ 0,73 0,Энергозатраты, Эм, Дж/кг 16,85 Показатели крови: сахар, ммоль/л 3,5±0,07 3,09±0, эритроциты, 1012 л 8,43±0,11 7,87±0, лейкоциты, 109 л 9,8±0,07 9,43±0, гемоглобин, г/л 130,6±0,98 127±1,Анализ табл. 5 убеждает, что лучшие показатели – в опытной группе по сравнению с контрольной при одинаковых затратах обменной энергии: суточный удой больше на 11,3 %; молочный жир и белок в молоке – соответственно на 0,36 и 0,3 %.

Индивидуальная настройка доильных машин позволила повысить Kэ на 16,7%. Показатели крови опытной группы лучше контрольной. Более низкое содержание сахара, эритроцитов – на 15,9% (Р < 0,01), лейкоцитов – на 10,4% (Р < 0,01), гемоглобина – на 3,1% (Р < 0,05) в сравнении с контрольной свидетельствует о снижении болевых ощущений, уменьшении стресса и, как следствие, хорошем рефлексе молокоотдачи, что позволяет более полно реализовать потенциал молочной продуктивности.

Таким образом, полученные результаты подтверждают целесообразность совершенствования технического обеспечения биотехнических систем «Ч–М–Ж/[С]» на основе использования универсального испытательного стендового комплекса для испытания доильных машин и средств индивидуального учета молока. Это позволяет наиболее полно реализовать потенциал молочной продуктивности животных при минимальном расходе обменной энергии.

Предложенные рекомендации по организации производственного процесса на МТФ позволили снизить энергозатраты с 17,95 до 14 МДж на 1 кг молока.

Расчёт экономических показателей с учётом энергосберегающих позиций показал, что внедрение новой, энергоэкономной техники на основе предварительного испытания является инновационным и экономически целесообразным, позволяя оперативно, с наименьшими потерями адаптироваться под изменения молочных животных. Дополнительная годовая прибыль составила 1971,3 рубля на одну корову.

общие ВыВоды и предлоЖения 1. Решение проблемы совершенствования технического обеспечения системы «Ч–М–Ж/(С)», способствующей реализации потенциала молочной продуктивности коров, основано на энергосберегающей концепции, построенной методом многоуровневого моделирования подсистем с учетом энергоконверсионных процессов и влияния антропогенных механо-технологических факторов, определяющих функциональность технических объектов БТС в современных условиях молочного животноводства.

2. Основой формирования энергоэкономных БТС является синтез на основе математического моделирования. Используя полученную математическую зависимость, определяющую степень влияния подсистемы БТС на реализацию потенциала молочной продуктивности коров по коэффициенту энергоэффективности Kэ, провели построение трехмерных моделей. Анализ полученных моделей показал, что при увеличении коэффициента эффективности Kэ от 0 до 0,28 наибольшее влияние на реализацию молочного потенциала оказывает подсистема кормления и скармливания, достигая значения 3000–3200 кг.

Затем большее влияние оказывает подсистема доения. Плоскостные сечения трехмерной параметрической поверхности на уровнях 4000, 6000 и 8000 кг показывают, что наиболее интенсивно подсистема доения влияет в интервале 4000–6000 кг при Kэ = 0,57–0,72, а при Kэ = 0,82 потенциал животного реализуется на 98%. Следовательно, при потенциале 8000 кг в год животное работает энергоэффективно с отдачей 4000–7840 кг за период лактации.

3. Оптимизация модели энергозатрат проведена на основе новых эмпирических зависимостей, позволяющих определить полные энергозатраты Эп, коэффициент энергоэффективности Kэ, показатель уровня интенсификации Им и энергозатраты на один кг молока Эм с учетом коэффициентов использования объектов Kи и энергии Kиэ в БТС.

4. Исследования режимов движения газожидкостных смесей позволили выяснить, что регулирование вакуумметрического давления в межстенной, подсосковой и присосковой камерах при минимальном болевом воздействии на сосок возможно путем управления воздушным и гидровакуумным потоками доильного стакана в зависимости от интенсивности молочного потока. Это позволит выдаивать высокопродуктивных животных с интенсивностью молокоотдачи до 0,067 кг/с за 120–240 секунд.

5. Системный анализ влияния эксплуатационных параметров на показания средств учета молока позволил выявить зависимость погрешности измерений от плотности и режима движения газожидкостной смеси, геометрических параметров ориентации счетчика в пространстве. Полученная математическая модель показывает, что эффективность работы средств учета молока в наибольшей степени зависит от значения критерия Рейнольдса, определяемого интенсивностью молокоотдачи, расходом воздуха коллектором доильной машины и не зависит от вязкости и температуры смеси.

6. С целью более полного и всестороннего исследования средств учета молока в лабораторных условиях был разработан стендовый комплекс, позволяющий моделировать режимы движения газожидкостных смесей в магистральных шлангах доильных машин посредством трубчатых турбулентных аппаратов диффузор-конфузорной конструкции. Данное устройство позволяет получить смесь заданной плотности с диапазоном значений критерия Рейнольдса от 17до 8500, подтверждая теоретические и практические исследования. Анализ регрессионных моделей погрешности измерений показал, что допустимое значение (5%) она принимает при интенсивности молоковыведения (1,1–1,3) 10–5 м3/с и находится в заданных пределах контрольной карты Шуэрта.

7. Как показал анализ имитационной системы, структурированной на основе адекватности испытательного комплекса реальным анатомическим и физиологическим параметрам сосков и вымени и физиологическим особенностям животного, были установлены оптимальные функциональные и конфигуративные параметры имитационных блоков, обеспечивающих достоверность исследований конструктивно–режимных характеристик серийных и экспериментальных доильных машин. В различных имитационных диапазонах (имитацию внутривыменного давления 0–7 кПа; имитацию интенсивности молокоотдачи (0,02–5)10–5 м3/с; регистрацию параметров молокоотдачи и молоковыведения в интервале (0–5)10–5 м3/с; имитацию диаметра сосков 25–мм) комплекс обеспечивает стабильную имитацию физического состояния лактирующих животных. Применение комплекса позволяет провести исследование доильных машин с учетом всех возможных на практике ситуаций без ущерба для животных, а также резко сокращает время испытаний.

8. Предложена новая методика испытания доильных машин, полученная на основе сравнительного анализа разности величин молокоотдачи Q1 и молоковыведения Q2 на одинаковых интервалах времени доения. Это позволяет с большей точностью (до 95%) подобрать доильные машины для группы коров- аналогов по интенсивности молокоотдачи.

9. На основе разработанной модели энергоаудита определены критериальные значения эффективности работы доильных машин (Е = 15,53–28,81 кДж), а индивидуальный подбор доильного оборудования посредством использования контрольно-испытательного комплекса позволяет сократить на 3,2 104 кДж Эо, повысить суточный удой на 11,3%. Коэффициент физиологичности технического обеспечения повышается до 0,94. Дополнительная годовая прибыль составила 1971,3 рубля на одну корову.

осноВные полоЖения диссертАции опубликоВАны В следующих рАботАх публикации в изданиях, рекомендованных ВАк 1. Соловьёв, С.А.Универсальный стенд для испытания счётчиков молока [Текст] / С.А. Соловьёв, В.А. Шахов, В.А. Салов // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. – Саратов, 2007. – № 1. – С. 110–111.

2. Шахов, В.А. Методология проектирования доильного оборудования [Текст] / В.А. Шахов // Вестник Оренбургского государственного университета. – Оренбург, 2005.– № 10. – С. 429–433.

3. Шахов, В.А. Совершенствование методики испытания доильных аппаратов [Текст] / В.А. Шахов, Е.М. Асманкин // Техника в сельском хозяйстве. – М., 1997. – №4. – С. 21–22.

4. Соловьев, С.А. Моделирование процесса отдачи молока животным [Текст] / С.А. Соловьев Е.М. Асманкин, А.М. Асманкин, В.А. Шахов // Техника в сельском хозяйстве. – М., 1998. – № 5. – С. 11–12.

5. Соловьев, С.А. Совершенствование стенда для испытания доильных установок [Текст] / С.А. Соловьев, Е.М. Асманкин, В.А. Шахов, А.М. Асманкин // Техника в сельском хозяйстве. – М., 1997. – № 4. – С. 17–18.

6. Шахов, В.А. Новое оборудование для испытания доильных аппаратов [Текст] / В.А. Шахов // Вестник Оренбургского государственного университета. – Оренбург, 2005. – № 2 (6). – С. 12–16.

7. Шахов,В.А. Методика разработки стенда для испытания доильных аппаратов [Текст] / В.А. Шахов, С.А. Соловьев, И.В. Герасименко // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. – Саратов, 2005. – № 6. – С. 30–33.

8. Шахов, В.А. Методика определения максимальной отсасывающей способности доильных аппаратов на испытательном стенде [Текст] // Вестник Оренбургского государственного университета. – Оренбург, 2006. – № 13. – С. 137–142.

9. Шахов, В.А. Проблема учета молока на современных доильных установках [Текст] / В.А. Шахов, В.А. Салов // Вестник Оренбургского государственного университета. – Оренбург, 2006. – № 13. – С. 77–80.

10. Шахов, В.А. Обоснование технологических параметров устройств для учета молока на основе создания испытательного стенда [Текст] / В.А. Шахов, С.А. Соловьев, В.А. Салов // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. – Саратов. – С. 2007. – № 2. – С. 53–54.

11. Шахов, В.А. Расчет параметров искусственных сосков стендов для испытания доильных аппаратов [Текст] / В.А. Шахов, И.В. Герасименко, В.О. Китиков, С.Г. Махиня // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – М., 2009. – № 1. – С. 16–17.

монография 1. Карташов, Л.П. Лабораторные стенды для испытания животноводческой техники [Текст] / Л.П. Карташов, С.А. Соловьев, В.А. Шахов. – M.: Колос., 2009. – 116 с.

статьи в журналах и сборниках научных конференций 1. Карташов, Л.П. Методические материалы по расчету элементов доильных аппаратов [Текст] / Л.П. Карташов, С.А. Соловьев, П.И. Огородников, З.В. Макаровская, В.А. Шахов и др.– М.: Издательский центр ОГАУ, 2001. – 48 с.

2. Шахов, В.А. Методика моделирования высокоскоростного, энергосберегающего доильного аппарата [Текст] / В.А. Шахов, С.А. Соловьев // Труды ХIV международного симпозиума по машинному доению с.х. животных. – Углич.:

Уникан, 2008. – С. 169–176.

3. Патент № 2099938 РФ. Имитатор вымени коровы / Карташов Л.П., Шахов В.А., Садыков Н.Н., Бунин И.А.; опубл. 27.12.1997, бюл. № 37.

4. Патент № 2101769 РФ. Муляж вымени / Карташов Л.П., Шахов В.А., Садыков Н.Н., Бунин И.А.; опубл. 10.01.1998, бюл. № 1.

5. Патент № 2113113 РФ. Стенд для испытания доильных аппаратов / Соловьев С.А., Шахов В.А., Асманкин Е.М.; опубл. 20.06.1998, бюл. № 17.

6. Патент № 2120745 РФ. Стенд для испытания доильных аппаратов / Соловьев С.А., Шахов В.А., Асманкин Е.М.; опубл 27.10.1998, бюл. № 30.

7. Патент № 2120742 РФ. Доильный стакан / Соловьев С.А., Шахов В.А., Асманкин Е.М.; опубл. 27.10.1998, бюл. № 30.

8. Патент № 2131183 РФ. Стенд для испытания доильных аппаратов / Соловьев С.А., Шахов В.А., Асманкин Е.М.; опубл. 10.06.1999, бюл. № 16.

9. Патент № 2131184 РФ. Универсальный стенд для испытания доильных аппаратов / Соловьев С.А., Шахов В.А., Асманкин Е.М., Асманкин А.М., Алексеев В.Н.; опубл. 10.06.1999, бюл. № 16.

10. Патент № 2128907 РФ. Искусственное вымя / Карташов Л.П., Шахов В.А., Садыков Н.М., Бунин И.А., Квашенников В.И.; опубл. 20.04.1999, бюл. № 10.

11. Патент № 2138157 РФ. Способ определения параметров и конфигурации конструктивных элементов стенда для испытания доильных аппаратов / Соловьев С.А., Шахов В.А., Асманкин Е.М., Асманкин А.М., Алексеев В.Н.;

опубл. 27.09.1999, бюл. № 27.

12. Патент № 2279797 РФ. Стенд для испытания доильных аппаратов / Соловьев С.А., Шахов В.А., Герасименко И.В.; опубл. 20.12.2006, бюл. № 32.

13. Патент № 2285390 РФ. Стенд для испытания доильных аппаратов / Соловьев С.А., Шахов В.А., Герасименко И.В.; опубл. 20.10.2006, бюл. № 29.

15. Патент № 2298317 РФ. Стенд для испытания доильных аппаратов / Соловьев С.А., Шахов В.А., Герасименко И.В.; опубл. 10.05.2007, бюл. № 12.

16. Патент № 66150 РФ. Контрольно-испытальный комплекс / Соловьев С.А., Шахов В.А., Герасименко И.В.; опубл. 10.09.2007, бюл. № 27.

17. Патент № 2320021 РФ. Искусственное вымя / Карташов Л.П., Шахов В.А., Скворцов А.П.; опубл. 20.03.2008, бюл. № 7.

18. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009613129 РФ. Энергооценка доильных аппаратов / Шахов В.А., Солдатов В.Г.; зарегистрировано 16.06.2009.

19. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010617235 РФ. Программа для расчета энергозатрат в системе «Ч–М–Ж/С» / Шахов В.А., Соловьев С.А., Разводов В.А.; зарегистрировано 29.10.2010.

Имеется еще 37 статей в других сборниках научных конференций и журналах.

Шахов Владимир Александрович ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕАЛИЗАЦИИ ПОТЕНЦИАЛА МОЛОЧНОй ПРОДУКТИВНОСТИ КОРОВ Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Подписано в печать 12.11.10.

Формат 6084/16. Усл. печ. л. 1,0. Печать трафаретная.

Бумага офсетная. Заказ № 3885. Тираж 120 экз.

Издательский центр ОГАУ 460795, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, Тел.: (3532)77-61-




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.