ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Энергосберегающая технология повышения производительности процесса доения коров применительно к высокогорным условиям.

Рекомендуемая область пременения

- сельское хозяйство
- фермерские хозяйства
- животноводство

Назначение, цели и задачи проекта

На нынешнем уровне осуществления аграрных реформ, когда сельский товаропроизводитель остался без средств существования, продукция молочного животноводства остается единственным источником и надеждой получения денежных средств на текущие расходы для многих хозяйств. Поэтому начали проявляться некоторые тенденции по поддержке уровня поголовья коров и их продуктивности. Важным фактором здесь были и остаются прогрессивные технологии обслуживания животных и особенно доения.

Стабилизация и дальнейшее развитие сельскохозяйственного животноводства, обеспечение людей необходимыми продуктами питания могут опираться в основном только на ускорение научно-технического прогресса по всем направлениям производства продукции животноводства, в особенности молока. Одной из важных сфер научного поиска является совершенствование существующих технологий в животноводстве, разработки адаптивных технологий и технологий будущего.

В технологии можно синтегрировать все научные достижения во всей системе производства, начиная от селекции животных до получения высококачественного продукта.

Определяющими моментами в повышении производительности являются технические средства, заменяющие ручной труд или облегчающие его; средства механизации обязательно должны быть адаптивными к животным, окружающей среде, соответствовать требованиям экологии. Особенно, это относится к технике и технологиям в животноводстве в высокогорных условиях.

Если в земледелии и растениеводстве машины взаимодействуют с почвой и растениями, то есть с неодушевленными предметами, то в животноводстве они непосредственно соприкасаются с биологическими объектами - животными и, как правило, с их наиболее чувствительными к воздействию жизненно важными органами (кожный покров, вымя коровы, органы питания, опорный аппарат). Следовательно, механические средства должны быть максимально приспособлены к биологическим объектам, обладая автоматическими, щадящими режимами работы. Вместе с этим и биологические объекты - животные должны приспосабливаться к машинным технологиям - путем селекции и отбора пород, отдельных животных, стада в целом, подбора животных, устойчивых к стрессам, с правильной формой вымени, одинаковыми сосками, равномерной молокоотдачей по четвертям вымени, одинаковой скоростью выдаивания и т. д.

Для осуществления этих актуальных задач необходимо обеспечить соответствующий рост продуктивности коров и производительности труда путем повсеместного внедрения эффективного машинного доения.

Для горных регионов одним из источников увеличения производства молока является эффективное использование их высокогорных пастбищ. Общая площадь горных кормовых угодий Северного Кавказа достигает более 2,0 млн. га., в том числе более 400 тыс. га. находится на территории Кабардино-Балкарской республики. Наиболее ценные разнотравные луга и пастбища расположены на высотах 1000 - 3200 м над уровнем моря, где атмосферное давление понижено и колеблется от 80 до 60 кПа.

В этих зонах принят отгонный способ содержания коров, при котором в течение теплого периода года дойное стадо находится на высокогорных пастбищах, а в остальное время - на присельских пастбищах или на привязи в помещениях. При этом, как правило, для доения коров на пастбищах применяют передвижные УДС-3, в помещениях - стационарные ДАС-2Б, АД-100 или АДМ-8 доильные установки. А в районах сплошного плоскогорья используют одни и те же стационарные или передвижные доильные установки.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Серийно выпускаемые доильные установки предназначены только для доения в условиях не выше 1000 м над уровнем моря. Это предусмотрено в инструкциях по эксплуатации доильных установок. Сущность заключается в том, что серийные доильные установки рассчитаны для работы при вакуумметрическом давлении, равном половине нормального атмосферного давления, т.е. примерно 50 кПа.

Из опытов, проведенных в 1991-2000 годах при доении 100 коров аппаратами АДВ-Ф-1А, стало известно, что по сравнению с аппаратами АДУ- 1 новые аппараты АДВ-Ф-1А доение этой группы коров завершали в каждую смену на 0,5 часа раньше. В целом за сутки при двухразовом доении экономия времени составляла более 1 часа. То есть каждый день длительность дойки сокращалась на 1 час.

Как известно, установленная мощность электродвигателя на доильной установке (УДС-3А, АД-100 или ДАС-2Б) была 4 кВт. Поэтому экономия электроэнергии в году составила 365х4=1460кВТ х 1ч.

Этот существенный фактор доказывает явное преимущество выжимающих доильных аппаратов АДВ-Ф-1А перед заводскими аппаратами АДУ-1.

Рис. 1Аппарат доильный для высокогорных условий АДВ-Ф-1А: 1  – стакан   доильный   АДВ.01.000А; 2 – АДУ.02.100А, АДУ.02.000А; 3  – коллектор АДВ.02.000А.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Для совершенствования доильных установок, предназначенных для работы в горных условиях, определены возможные варианты условий их эксплуатации (табл.1)

При этом введено понятие вакуумметрического коэффициента ?_i, как отношение вакуумметрического давления в доильной установке h_iк атмосферному Р_?i:

,                             (1)

Установлена также закономерная взаимозависимость между вакуумметрическим и манометрическим коэффициентами:

,                    (2)

где ?_м – манометрический коэффициент, 

,

Р_а – остаточное (абсолютное) давление в камерах доильного аппарата во время такта сосания, кПа;         

Р_?i – измеряется барометром; Р_а – манометром; h_i – вакуумметром.

Первый вариант табл.1 отражает обычную технологию машинного доения коров. Однако серийно выпускаемые доильные установки предназначены только для доения в условиях не выше 1000 м над уровнем моря. Это предусмотрено в инструкциях по эксплуатации доильных установок. Сущность заключается в том, что серийные доильные установки рассчитаны для работы при вакуумметрическом давлении, равном половине нормального атмосферного давления, т.е. примерно 50 кПа. Как видно из первого варианта табл.1, при этом увеличении высоты над уровнем моря атмосферное давление снижается. В связи с этим остаточное (абсолютное) давление в рабочих камерах доильных аппаратов, особенно, в подсосковых камерах доильных стаканов, резко падает как во втором варианте табл.1. Например, если на высоте, где атмосферное давление составляет примерно 100 кПа, повысить вакуумметрическое давление до 70 кПа, то манометрическое (остаточное, абсолютное) давление во время такта сосания в подсосковых камерах доильных стаканов аппарата АДУ-1-03 станет равным только 100-70=30 кПа. Такое снижение атмосферного и манометрического давления вызывает уменьшение частоты пульсации и является одной из причин усиления травмирующего действия вакуумметрического давления на молочную железу животного. Когда в сосковых цистернах создается резкое разряжение воздуха, это приводит к разрушению слизистой оболочки, и в разрушенных участках происходят воспалительные процессы, впоследствии вызывающие маститные заболевания. Такое научное предположение широко отмечено на последних пяти международных симпозиумах по машинному доению сельскохозяйственных животных. И мы это подвергали тщательной проверке.

Третий вариант табл.1 – это щадящий режим доения в высокогорных условиях, предложенный в работах. Однако во время доения серийными доильными аппаратами АДУ-1-03 при пониженных вакуумметрическом и атмосферном давлении снижаются отсасывающая способность и скорость извлечения молока из молочной железы.

Таблица 1. Варианты  соотношений  между  атмосферным, вакуумметрическим и манометрическим давлениями в доильных аппаратах на различных высотах пастбищ

Примечание: 1. h_о=50 кПа – постоянное вакуумметрическое давление в доильной установке.

2. h_i? const – переменное вакуумметрическое давление, регулируемое в доильной установке вакуумрегулятором.

3. Р_?о=100 кПа = const – постоянное атмосферное давление на одной и той же высоте над уровнем моря.

4. В скобках дано давление в мм.рт.ст.

Для определения отрицательного влияния пониженного атмосферного давления были проведены сравнительные лабораторные, хозяйственные и государственные испытания серийных АДУ-1-03 и модернизированных АДВ-Ф-1А доильных аппаратов с помощью методики и программы, составленных бывшим Всесоюзным научно-исследовательским институтом испытаний машин и оборудования животноводства (ВНИИМОЖ).

В целом были составлены предварительные "Условия приведения сравнительных испытаний" (табл.2).

После завершения каждого вида сравнительных испытаний полученные данные статистически обработаны и определена доля заболевших коров субклиническим маститом.

Результаты сравнительных испытаний серийных АДУ-1-03 и модернизированных АДВ-1-Ф-1А доильных аппаратов приведены в таблицах 3 и 4.

После этого также каждый раз были определены экспериментально-технологические показатели сравниваемых доильных аппаратов и сведены в табл.4.

Таблица 2. Условия проведения сравнительных испытаний

– сравнительные испытания произведены на урочищах: "Экипцоко", "Хаймаша" и "Аурсентх" на территории КБР; "Хазнидон" – Северная Осетия-Алания; "Домбай" – Карачаево-Черкесия

Таблица 3. Результаты испытаний сравниваемых аппаратов**

** – по результатам исследований горных пастбищ на Северном Кавказе насчитывается около 2,3 млн. га, расположенных выше 1000 м над уровнем моря, в том числе: Кабардино-Балкария – 400 тыс. га; Карачаево-Черкесия в Ставрополье – 500 тыс. га; Северная Осетия-Алания – 400 тыс. га; Чечня и Ингушетия – 300 тыс. га; Дагестан – 700 тыс. га.

Таблица 4. Результаты эксплуатационных показателей по завершении испытаний

Как видно из табл. 3 чистота молока, получаемого при доении аппаратами АДВ-Ф-1А в два раза чище, количество болезнетворных микробов на 1000 бактерий в каждом миллилитре молока меньше, чем у аппарата АДУ-1-03. Процент заболеваемости коров субклиническим маститом более 7 раз меньше при доении аппаратами АДВ-Ф-1А, чем аппаратами АДУ-1-03.

Эксплуатационные показатели – табл.4: за 1 час доения аппаратами АДВ-Ф-1А выдаивается до 8 коров больше, чем установкой с аппаратами АДУ-1-03.

Из вышеприведенного материала следует - для предотвращения отрицательного влияния высокогорного атмосферного давления, целесообразно включать доильные аппараты АДВ-Ф-1А в состав доильных установок УДС-3Б, предназначенных для доения коров на высокогорных пастбищах.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Ниже приведены данные анализа режимов работы доильных аппаратов в высокогорных условиях.

Исследуем отличительные особенности процесса молоковыведения доильным аппаратом АДВ-Ф-1А в высокогорных условиях. Среднее количество молока, выдоенное доильным аппаратом из молочной железы коровы за одну дойку, выразим зависимостью:

М_выд = N₀ · K ,                                               (1)

где М_выд – разовый машинный удой коровы, кг;

N₀   –  суммарное  количество   пульсационных  циклов,  совершаемых в высокогорных условиях одним   доильным  аппаратом   в  течение  одной  дойки,   пульс;

K   –  средняя  масса  молока, получаемая из четырех долей вымени четырьмя доильными стаканами за один рабочий цикл, кг/пульс.                 

Длительность машинного доения можно определить по формуле:

t_м = N₀ · t_цi ,                                                  (2)

где t_мi – переменная длительность машинного доения одной коровы в высокогорных условиях, с;

t_цi – переменная длительность цикла в высокогорных условиях, с.

Из анализа выражения (2) вытекает прямая зависимость длительности машинного доения t_мi от длительности пульсационного цикла t_цi. Исходя из этого, можно заключить, что в высокогорных условиях соотношение между этими взаимозависимыми параметрами является постоянной величиной:

N₀ = t_мi / t_цi = const,                                     (3)

или

,                                 (4)

где n_i – частота пульсации в высокогорных условиях, с^-1.

Данное заключение подвергнуто тщательной проверке.

Как видно из анализа выражений (3) и (4) в высокогорных условиях параметры t_мi и n_i являются обратно пропорциональными величинами. Поэтому произведение таковых параметров всегда остается неизменным.

Преобразовав вышеприведенные формулы с учетом действительных значений постоянных, получим формулу (5):

,                                 (5)

Формула (5), содержащая основные рабочие параметры доильных аппаратов и их взаимосвязь с атмосферным давлением, позволяет произвести многофакторную оптимизацию процесса машинного доения в высокогорных условиях.

С помощью этих формул составлена таблица 5 и построены графики зависимости частоты пульсации, длительности машинного доения и количества пульсационных циклов от атмосферного давления. Как видно из этих данных, при понижении атмосферного давления увеличиваются длительности пульсационных циклов и всего машинного доения, а частота пульсации уменьшается прямо пропорционально атмосферному давлению.

Гипотезы, выдвинутые по формулам (3), (4) и (5), подтвердились данными таб. 5 и номограммой – рис.2.

Таблица 5

Зависимость частоты пульсации, длительности машинного доения, количества пульсационных циклов и массы   выдоенного молока от атмосферного давления (вакуумметрический коэффициент ??const, вакуумметрическое давление h_м.к.=50кПа=const,  К=0,009 кг за каждый пульс, среднеарифметическая величина разового удоя группы коров ? = 4,94 кг)

N₀=N_i+?N_i=548,888=const;

– время завершения машинного доения

Продолжение таблицы 5

Рис. 2.Номограмма зависимости частоты пульсации, длительности машинного доения, количества пульсационных циклов и массы выдоенного молока от атмосферного давления.

* – при Р_?i меньше чем 60 кПа машинное доение коров не производится, так как длительность пульсационного цикла велика.

При построении графиков номограммы по горизонтальной оси координат откладываем атмосферное давление, а по вертикальным осям – частоту пульсации, длительность машинного доения, количество выдоенного молока. Как видно из номограммы, количество пульсационных циклов является постоянной величиной в высокогорных условиях – рис.2, точка N_о.

Выжимающее устройство доильного стакана АДВ.01.000А  имитирует механику естественного способа выжимания молока, так как действует в области конусного среза направляющей в возвратно-поступательном режиме.

Одновременно с выжимающим действием межстенного вакуумметри­ческого давления из подсосковой камеры молоко отсасывается в молокос­борник.

В связи с тем, что основание соска в начале рабочего такта плотно пережато, вакуумметрическое давление не может проникнуть в вымя животного. При доении опорожненных долей вымени полностью исключается возможность патологического воздействия вакуумметрического давления на нежные внутренние ткани вымени животного.

Выводы:

1. Одной из особенностей работы доильных аппаратов АДВ-Ф-1А в высокогорных условиях является то, что количество пульсационных циклов остается неизменной величиной, а частота пульсации, длительность машинного доения зависят от атмосферного давления в разной степени.

2. Выжимающее устройство каждого доильного стакана аппарата АДВ-Ф-1А предотвращает травмирование молочной железы коровы, поэтому предлагаем его новую конструкцию к внедрению в производство.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Суммарная мощность привода выжимающего устройства доильного стакана аппарата АДВ-Ф-1А  складывается из ряда основных и дополнительных элементов: мощность для сжатия соска выжимающим устройством каждого доильного стакана; мощность на возвращение в крайние исходные положения упругих деталей, участвующих в извлечении молока из доли вымени (сосок, сосковая резина и резиновая оболочка), а также мощность на выжимание молока из сфинктера соска под действием вакуумметрического давления в межстенной камере.

Переменная сила механического сжатия соска во время рабочего такта доильного стакана производит направленное действие, начиная от основания соска к его сфинктеру, благодаря конусной форме бокового среза направляющей и постепенному росту величины вакуумметрического давления внутри межстенной камеры доильного стакана:

,                                    (1)

где F_i – переменная сила сжатия соска, Н; S_сжi – переменная площадь сжатия соска на i -ых  высотах резиновой оболочки, м²; h_м.к.i – вакуумметрическое давление в межстенной камере доильного стакана аппарата АДВ-Ф-1А, кПа.

Суммарную площадь S₀ можно условно разделить на четыре участка (рис.3, S₀ – площадь, образованная линиями DAA^IIIC^VD^IID^I):

1)     верхний прямоугольный участок площадью S₁ с высотой  1,0…1,5 см; диаметр окружности направляющей можно принять равным 4,0 см;

2)     нижние три участка представляют собой прямоугольные равнобедренные трапеции, основания которых уменьшаются сверху книзу.

Суммарнаяплощадь S_оравна:

S_o=S₁+S₂+S₃+S₄,                                             (2)

где S₁ – площадь верхнего прямоугольного участка, образованная линиями АDD^ID^II, м²; S₂ – площадь трапециадального участка, образованная линиями AA^IC^ID^II, м²; S₃ – площадь трапециадального участка, охваченная линиями А^IA^IIC^IVC^I, м²; S₄ – площадь трапециадального участка, очерченный линиями A^IIA^IIIC^VC^IV, м².

Высота каждого трапециадального участка равна 30 мм.

Рост вакуумметрического давления в межстенной камере во время рабочего такта также условно разделили на три части по       18 кПа, итого 54 кПа.

Поэтому элементы силы сжатия соска резиновой оболочкой выразим следующими зависимостями:

где n_i – номер очередного участка.

На рис.3 видно шесть боковых заштрихованных прямоугольных треугольников с абсолютно равными по величине сторонами: АВ=А^IВ^I= =А^IIВ^II и ВА^I=В^IА^II=В^IIА^III. Поэтому их площади равны между собой, каждая площадь равна половине произведения их катетов. Размеры катетов: горизонтальных – АВ=А^IВ^I= А^IIВ^II=0,005 м; вертикальных – ВА^I=В^IА^II=В^IIА^III=0,03 м. Площадь каждого из них S^I=0,000075м².

Площадь каждого участка можно выразить следующим образом:

S₁=d_н•b=0,04•0,01=0,0004 м²;

где d_н – диаметр направляющей, d_н=0,04 м; b – высота первого участка, b=0,01 м.

Рис.3. Схема и размеры резиновой оболочки в области конусного выреза направляющей

Из системы зависимостей (3) видно, что в первом периоде роста рабочего такта сила сжатия верхней части соска составляет:

Во втором периоде сила сжатия соска составит:

F₃ – максимальная сила сжатия соска резиновой оболочкой в третьем периоде рабочего такта.

Работа, выполняемая силой выжимающего устройства доильного стакана аппарата АДВ-Ф-1А во время сжатия соска резиновой оболочкой, выразится специальной формулой. При этом сила F_сжi воздействует на сосковую резину, совершает ход ее во-внутрь доильного стакана. Величины поперечного прогиба соска, сосковой резины и резиновой оболочки различны на разных i-ых высотах выжимающего устройства. Их совместный средний ход во-внутрь доильного стакана на любой i-ой высоте можно выразить следующей зависимостью:

d_ri=d_{r д.ст.}-(t_ст.с.+t_ст.с.р.+t_ст.р.о.),                           (4)

где d_ri – прогиб, совершаемый совместно системой, состоящей из соска, сосковой резины и резиновой оболочки, м; d_{r д.ст.} – радиус доильного стакана, м; t_ст.с. – толщина стенки соска при его полном смыкании, когда в нем отсутствует молоко, м;  t_ст.с.р. – толщина стенки сосковой резины, м; t_ст.р.о. – толщина стенки резиновой оболочки, м. В среднем толщина стенки сосковой резины и резиновой оболочки можно принять равными по 1 мм, т.е. t_ст.с.р.+t_ст.р.о.=2 мм, а толщину стенки пустого соска t_ст.с.=3 мм. Средний радиус доильного стакана равен d_{r д.ст.}=20 мм.

Поэтому средний максимальный прогиб выжимающего устройства можно назначить равным d_ri=15.

В результате прогиба резиновой оболочки выполняется дополнительная работа по выжиманию молока из соска, которую можно выразить формулой (5):

А_{сж i}=(h_м.к.•S_сжi)•d_{r i} ,                                          (5)

где А_{сж i} – работа, совершаемая выжимающим устройством доильного стакана, Н•м.

Эта дополнительная работа обеспечивает выработку дополнительной мощности в пределах (6):

,                                       (6)

где N_{сж i} – дополнительная мощность, развиваемая каждым выжимающим устройством доильного стакана АДВ.01.000А, Вт; t^I_1i –время, в течение которого извлекается молоко из соска при рабочем такте в доильном стакане, с.

Максимальная мощность, развиваемая одним выжимающим доильным стаканом по формуле (6) при завершении рабочего такта равна N_сжi=10,22Вт.

В целях сравнения величины собственных экспериментальных данных с данными известных исследователей  приведем некоторые выборки из них. Мощность, развиваемая сосательным аппаратом теленка N_т=1,2 Вт; козленка – N_к=0,3 Вт. Следовательно, мощность, развиваемая выжимающим устройством доильного стакана аппарата АДВ-Ф-1А, превосходит мощность, развиваемую ротовой полостью младенцев сельскохозяйственных животных в 3,0…8,5 раза.

Дополнительная мощность в этом выжимающем доильном стакане способствует извлечению дополнительного количества молока из сосков, выявленного при экспериментальном исследовании усовершенствованных доильных аппаратов АДВ-Ф-1А в течение 1988 – 2000 годов .

Дополнительное количество молока, полученного в результате выжимания молока из сосков во время рабочего такта, равняется разности:

?К_ср=К_АДB – К_АДУ,                                             (7)

где ?К_ср – среднее количество молока, дополнительно извлеченного выжимающим доильным аппаратом за одну пульсацию его четырьмя доильными стаканами, кг/пульс; К_АДB – среднее количество молока, выдаиваемого одним доильным аппаратом АДВ-Ф-1А за одну пульсацию, кг; К_АДB =0,009 кг/пульс; К_АДУ – среднее количество молока, выдоенного серийным доильным аппаратом АДУ-1 за одну пульсацию, К_АДУ=0,005 кг/пульс. Следовательно, ?К_ср=0,009-0,005=0,004 кг/пульс.

Энергоемкость дополнительно произведенного количества молока ?К_ср можно определить формулой (8):

,                                           (8)

где Э_ср – средняя энергоемкость дополнительно полученного количества молока при доении группы коров выжимающим доильным аппаратом АДВ-Ф-1А, Вт/кг.

Выводы

1.      Доильные аппараты АДВ-Ф-1А вырабатывают дополнительную мощность в сравнении с аппаратами АДУ-1.

2.      Для повышения энергоснабжения доильных установок в высокогорных условиях рекомендуем к внедрению выжимающую конструкцию доильного стакана АДВ.01.000А.

Серийно выпускаемые доильные установки предназначены только для доения в условиях не выше 1000 м над уровнем моря. Это предусмотрено в инструкциях по эксплуатации доильных установок. Сущность заключается в том, что серийные доильные установки рассчитаны для работы при вакуумметрическом давлении, равном половине нормального атмосферного давления, т.е. примерно 50 кПа.

Из опытов, проведенных в 1991-2000 годах при доении 100 коров аппаратами АДВ-Ф-1А, стало известно, что по сравнению с аппаратами АДУ- 1 новые аппараты АДВ-Ф-1А доение этой группы коров завершали в каждую смену на 0,5 часа раньше. В целом за сутки при двухразовом доении экономия времени составляла более 1 часа. То есть каждый день длительность дойки сокращалась на 1 час.

Как известно, установленная мощность электродвигателя на доильной установке (УДС-3А, АД-100 или ДАС-2Б) была 4 кВт. Поэтому экономия электроэнергии в году составила 365х4=1460кВТ*ч.

Этот существенный фактор доказывает явное преимущество выжимающих доильных аппаратов АДВ-Ф-1А перед заводскими аппаратами АДУ-1.

Новые потребительские свойства продукции

Снижение металлоемкости аппарата;
Резкое понижение энергетических ресурсов;
Щадящий режим работы аппаратов, сопровождающие значительное улучшение состояния молочной железы лактирующих животных;
Универсализация применения доильных аппаратов относительно высоты над уровнем моря.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

Доильный аппарат АДВ-Ф-1А прошел государственные испытания, получены: технический паспорт, техническое условие.

Предлагаемые инвестиции

3 млн. руб.

Рынки сбыта

Сельское хозяйство
Промышленные предприятия, как изготовители

Возможность и эффективность импортозамещения

Имеется. Аналогов нет.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

12

Дата поступления материала

08.12.2006