Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства
Разработка и обоснование параметров устройства для санитарной обработки вымени коров перед доением на автоматизированной доильной установке
Клименко Денис Борисович
Мичуринск-наукоград РФ
2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО «БелГСХА) на кафедре «Машин и оборудования в агробизнесе»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ужик Владимир Федорович
Официальные оппоненты:
Капустин Василий Петрович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» / кафедра «Автомобильная и аграрная техника», профессор
Хмыров Виктор Дмитриевич, кандидат технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет» / кафедра «Механизации производства и безопасности технологических процессов», профессор
Ведущая организация: Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства Россельхозакадемии. (ГНУ ВНИИМЖ)
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Н.В. Михеев
1. Общая характеристика работы
доение корова очистка вымя
Актуальность темы. За последние годы созданы эффективные доильные установки, обеспечивающие при доении в стойлах и в специализированных доильных залах поточную технологию доения коров и первичной обработки молока. Однако они не обеспечивают выполнение операций преддоильной стимуляции вымени коров и санитарной обработки их вымени, необходимость которых обусловлена требованиями не только сохранения, но и повышения продуктивности, которая тем выше, чем полнее опорожняется вымя коровы во время доения. Степень опорожнения молочной железы зависит от качества стимуляции рефлекса молокоотдачи, без которого наиболее ценная альвеолярная порция молока не может быть извлечена из вымени.
Опытные дояры, стимулируя молокоотдачу подмыванием вымени теплой водой и массажем, добиваются хорошего припуска коровой альвеолярной порции молока, но на стимулирование молокоотдачи операторами затрачивается много времени, что снижает производительность их труда.
Одним из методов подготовки коров к доению и получения чистого в бактериальном отношении, молока является механизированный массаж и подмывание вымени теплой водой с использованием устройств для санитарной обработки вымени перед доением, так как подмывание вымени коров из общего ведра повышает опасность переноса инфекции от одной коровы к другой.
В связи с вышеизложенным возникла необходимость создания такой машины, которая могла бы вызывать устойчивый рефлекс молокоотдачи и обеспечивать качественную очистку вымени от загрязнений, способствуя получению молока с наименьшим содержанием микроорганизмов и механических загрязнений и повысить производительность труда операторов.
Цель исследования. Повышение эффективности процесса доения коров, качества очистки вымени, а также увеличение производительности труда оператора путем разработки и обоснования параметров устройства для санитарной обработки вымени коров перед доением.
Объект исследования. Процесс санитарной обработки вымени коров перед доением и техническое средство его обеспечения.
Предмет исследования. Закономерности взаимодействия устройства для санитарной обработки с выменем коровы перед доением в зависимости от: параметров ворса, усилия воздействия ворса, частоты вращения щетки, продолжительности воздействия устройства.
Методика исследования. В процессе теоретических исследований использовались методы математического анализа, теоретической механики, сопротивления материалов, математического и компьютерного моделирования.
Экспериментальные исследования проводили в соответствии с общепринятыми методами планирования многофакторного эксперимента с использованием действующих ГОСТов и ОСТов разработанных методик и лабораторных исследований с применением измерительных приборов и оборудования, лабораторных установок.
Научная новизна работы
- разработано устройство для санитарной обработки вымени коров перед доением;
- предложена методика воздействия экспериментального устройства на поверхность вымени коровы перед доением;
- разработана математическая модель рабочего процесса устройства для санитарной обработки вымени коров перед доением;
- установлены закономерности изменения затрачиваемой мощности привода щеток экспериментального устройства в зависимости от частоты вращения щеток и величины деформации ворса.
Практическую значимость представляют:
- конструктивно-технологическая схема автоматизированной доильной установки, обладающей новизной (патент № 2244417);
- результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию параметров устройства для санитарной обработки вымени коров перед доением.
Реализация результатов исследований. На основе результатов проведенных исследований изготовлена опытная партия устройств для санитарной обработки вымени коров перед доением в количестве 4 шт. Разработанные устройства с положительным эффектом внедрены в хозяйствах Белгородской области (ЗАО «РусАгоПравда» и ООО «РусьАгро»).
Апробация. Материалы исследований и разработок были доложены и одобрены на международных научно-производственных конференциях (Белгород 2002, 2003, 2004, 2005; Подольск, ВНИИМЖ, 2004; Харкiв, ХНТУСГ iменi Петра Василенка 2006; Москва МЭСХ 2007).
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 7 печатных работах, в том числе 1 работа в издании ВАК РФ, 1 патент № 2244417.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и предложений, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 143 страницах машинописного текста, включая список литературы из 149 наименований (в том числе на 5 иностранных языках), содержит 83 рисунка, 5 таблиц, 24 приложения.
На защиту выносятся следующие научные положения:
- конструктивно-технологическая схема устройства для санитарной обработки вымени коров;
- теоретические положения по обоснованию параметров устройства с учетом влияния физико-механических и технологических свойств ворса на процесс обмыва вымени позволяющие вызвать интенсивный рефлекс молокоотдачи;
- результаты экспериментальных исследований и испытаний в производственных условиях, позволяющие определить оптимальные параметры устройства для санитарной обработки вымени коров перед доением.
2. Содержание работы
Во введении представлена краткая характеристика состояния вопроса, обоснована актуальность темы исследований и основных научных положений, выносимых на защиту.
В первой главе “Состояние изучаемого вопроса” представлен анализ известных результатов исследований и известных технических решений, их систематизация и классификация.
Значительный вклад в развитие научных концепций повышения эффективности машинного доения коров сделан такими известными учеными, как Антроповский Н.М., Асманкин Е.М., Вальдман И.К., Велиток И.Г., Гарькавый Ф.Л., Зеленцов А.И., Карташов Л.П., Кормановский Л.П., Королев В.Ф., Краснов И.Н., Макаровская З.М., Морозов Н.М., Огородников П.И., Савран В.П., Скоркин В.К., Соловьев С.А., Ужик В.Ф., Цой Ю.А. и др.
Анализ результатов исследований и известных конструкций устройств для санитарной обработки вымени перед доением и устройств, оказывающих стимулирующее воздействие на вымя во время доения, показал, что до настоящего времени нет устройств, способных обеспечить оптимальный режим санитарной обработки вымени перед доением и стимуляцию молочной железы на автоматизированных доильных установках.
Одним из перспективных направлений в создании устройств для санитарной обработки вымени коров на автоматизированных системах доения является разработка конструкции устройства состоящего из двух вращающихся навстречу друг к другу щеток, которые взаимодействуют с выменем и сосками.
На основе анализа литературных данных и известных технических решений были сформулированы задачи исследований:
- обосновать основные направления в совершенствовании устройств для санитарной обработки вымени коров перед доением;
- разработать конструктивно - технологическую схему устройства для санитарной обработки вымени коров перед доением;
- теоретически и экспериментально обосновать параметры рабочего процесса устройств для санитарной обработки вымени коров перед доением;
- изучить влияние разработанного устройства для санитарной обработки вымени коров перед доением на функциональные свойства вымени;
- провести производственные испытания экспериментального устройства для санитарной обработки вымени коров и дать обоснование экономической эффективности предложенного устройства.
Во второй главе “Теоретическое обоснование конструктивно-технологических параметров автоматизированной доильной установки ” приведено описание, рабочий процесс разработанного устройства и рассмотрен рабочий процесс устройства для санитарной обработки вымени коров перед доением на автоматизированной доильной установки.
При разработке устройства для санитарной обработки вымени коров перед доением на автоматизированной доильной установке учитывали необходимость вызова интенсивного рефлекса молокоотдачи, снижения общего числа бактерий и получения молока при условии щадящего воздействия ворса щетки на вымя животного.
Схема автоматизированной доильной установки и схема устройства для санитарной обработки вымени коров перед доением представлены на (рис. 1) и (рис. 2).
1-доильный бокс; 2-подвижное основание; 3-механизм поворота; 4-механизм вертикального перемещения; 5-каретка; 6-механизм поперечного перемещения; 7-балка; 8,10-механизмы продольного перемещения; 9-доильный манипулятор; 11-манипулятор массажа вымени; 12-устройство для санитарной обработки вымени; 13-устройство промывки; 14-двухсекционный переключатель; 15-резервуар; 16-трубопровод; 17- электромагнитный клапан; 18- насос; 19- система управления; 20- ЭВМ.
Рисунок 1. Автоматизированная доильная установка
1; 4-массажные щетки, 2;5-шестерни, 3-полый вал,6-гидромотор, 7-кронштейн.
Рисунок 2. Устройство для санитарной обработки вымени коров перед доением автоматизированной доильной установки
Рисунок 3. Равновесие ворса под действием критической силы
При санитарной обработке вымени во избежание механического повреждения поверхности вымени или болевого воздействия ворса на них необходимо учитывать параметры ворса. Расчет усилия воздействия ворса на поверхность вымени проводили по известным формулам Эйлера для определения усилия из курса сопротивления материалов.
Если осевая нагрузка P (при прижатии к вымени) не превышает критическое значение, то ворс остается прямым и претерпевает только осевое сжатие. При постепенном увеличении P можно достигнуть значения Pкр1, при котором стержень (рис.3) теряет устойчивость:
, (1)
где E - модуль упругости материала ворса, Н/м2; L - длина ворса; м, d - диаметр ворса, м.
Рисунок 4. Равновесие ворса под действием критической силы
Задаваясь критической силой Ркр1, значение которой принимаем равным не больше силы, способной вызвать болевое ощущение у животного, из уравнения (1) определим максимально допустимый диаметр ворса d1 для данного условия его деформации:
. (2)
Рассмотрим случай для стержня у которого свободный конец имеет шарнирно подвижную опору (рис.4). Критическое усилие для данного случая, при котором ворс теряет устойчивость, будет иметь вид:
. (3)
Теперь, как и в предыдущем случае, задаваясь предельно допустимым значением Ркр2, из уравнения (3) определим значение диаметра ворса d2:
. (4)
Как следует из описания работы устройства для санитарной обработки вымени, очистка поверхности осуществляется путем счесывания загрязнений ворсом. Поэтому представляется важным определить усилие, развиваемое ворсом при взаимодействии с обрабатываемой поверхностью (рис. 5) которое:
, (5)
где - сила сопротивления изгибу одного ворса щетки, Н.
Рисунок 5. Нагружение ворса изгибающей силой
Рисунок 6. Движение ворса по поверхности вымени
Это усилие во многом зависит не только от жесткости и геометрических параметров ворса, но и от траектории движения конца ворса (рис. 6).
Для анализа зависимости положения конца ворса от угла (хi()) (рис. 7) сделаем следующие допущения:
1 Ворс закреплен на барабане жестко.
2 Изгиб ворса при изменении угла н0 имеет форму параболы.