ляемых по интенсивности и фазе молоковыведения структур на основе изучения динамических процессов взаимодействия разных типов доильных аппаратов с выменем коровы.
Основным недостатком двухтактных доильных аппаратов является высокая опасность передержки аппарата на вымени в конце процесса молоковыведения при так называемом «сухом доении», вызывающем кроводои и травмирование внутренних тканей вымени вакуумом, что создает условия для массовых маститных заболеваний коров. Согласно исследованию [30] при доении коров двухтактными доильными аппаратами при высокой их производительности заболеваемость коров маститами в 2 раза больше, чем при доении трехтактными.
Маститные заболевания наносят значительный экономический ущерб – уменьшается производство молока, снижается его качество. При этом большую проблему представляет субклинический (скрытый) мастит – это наиболее часто встречающаяся форма воспаления вымени, которая, как правило, не распознается оператором машинного доения путем визуального контроля вымени или молока. Молоко заболевших коров имеет высокое содержание соматических клеток и не пригодно для сыроделия и детского питания, а смешивание молока, полученного от здоровых и больных коров, в одной емкости приводит к снижению его сортности [31].
По данным исследований ученых Саратовского ГАУ [32], полученных путем обследования в 2009 году хозяйств Саратовской области, заболевание маститом зафиксировано у 69% коров, из них клиническая форма мастита была обнаружена у 5% , а субклиническая форма – у 64% коров, что подтверждают и наши результаты лактографирования 120 тыс. коров. Очевидно, такова картина и в среднем по России.
По данным 70–80-х годов прошлого века в США примерно у 50% коров были поражены маститом 2 четверти вымени, а у 25% – все четверти [33]. Однако к 2005 году заболеваемость снизилась, примерно у 33% коров было поражено две четверти вымени. При этом средний показатель заболеваемости составил 12% всех четвертей вымени [33]. Очевидно, это связано с активной диагностикой и лечением маститов, а также с применением автоматизированных доильных аппаратов и манипуляторов для отключения и снятия доильных стаканов.
Экономический ущерб от заболевания коров маститом вызван расходами на лечение коров, снижением удоев и сортности молока на ферме [34], при этом 60% ущерба приходится на снижение удоев [35]. Исследования, проведенные в США, показали, что каждая четверть вымени, пораженная маститом, дает приблизительно на 727 кг молока в год меньше, чем здоровая [35].
Снизить опасность массовых маститных заболеваний из-за передержки доильных стаканов на вымени пытаются разными путями. Одним из них может быть создание гравитационных двухуровневых доильных систем, когда молокосборник (коллектор) располагается значительно ниже доильного аппарата и величина вакуума под соском зависит от интенсивности молоковы-
ведения и высоты столба молока в молочном шланге [36]. Это технически наиболее старый и простой способ регулирования вакуума под соском. Однако практическая реализация этого способа возможна только при беспривязном содержании коров, к тому же она капиталоемка из-за необходимости создания двухуровневых доильных залов.
Вторым способом считается использование систем с управлением вакуумным режимом под соском вымени.
1.3 Научные принципы и допущения, принимаемые при исследованиях
Основным параметром пульсатора является фаза сосания λ = t 1/ T ц, где t 1 – время такта сосания, T ц – время цикла работы пульсатора, и чем больше λ, тем продолжительнее такт сосания, тем выше пропускная способность аппарата, а в трехтактном режиме – и тем выше средняя действующая величина вакуума под соском P c = λ∙ P [3]. Кроме того, изменение фазы сосания вызывает изменение частоты пульсаций и соотношения тактов. Поэтому исследователей больше всего интересует именно это: можно ли в процессе доения управлять изменением фазы сосания? Ответ на этот вопрос можно получить только на основе новых знаний о работе пульсатора с камерой переменного подпора как вакуумного релейного устройства.
В теоретических исследованиях пневматических элементов и систем, к которым относятся и доильные аппараты, должна использоваться полная система уравнений газовой динамики. К ним должны быть добавлены дифференциальные уравнения процессов теплоотдачи для стенок пневматических камер, дросселей, шлангов, вакуум-баллонов, вакуум-проводов и др. Однако решение такой системы уравнений в общем виде представляет собой сложную задачу. В вакууме струя получает скорость за счет разности давления атмосферного воздуха и пониженного давления в вакууммированном пространстве, куда входит атмосферный воздух. Исследованиями [72] установлено, что в начальный момент, при малых перепадах давления (низкий вакуум), струи, примыкающие к соплу, имеют цилиндрические участки, т.е. мало турболизированы. С ростом перепада давления (глубины вакуума) турбуляция вакуумных струй, в отличие от сжатого воздуха, снижается благодаря разрежению среды, в которую входит струя. Если струю атмосферного воздуха впускают через круглое и длинное сопло, у которого отношение длины к диаметру больше или равно 5, в сосуд, находящийся под вакуумом, она не встретит такого сопротивления воздуха, как в атмосфере, и сохранит свою цилиндрическую форму на довольно большом расстоянии от сопла. Поэтому для расчета скоростного напора вакуумных струй можно пользоваться уравнением для идеальных газов [85].
Кроме того, исследованиями [74, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94] установлено, что в вакуумной пневмоавтоматике достаточное соответствие с опытом дают расчеты, основанные на принятии ряда упрощающих допущений, приемлемых для промышленной пневмоавтоматики.
*Промышленная пневмоавтоматика работает на положительных перепадах давления, представляющих собой разницу давлений на входе и выходе воздуха. Рабочий перепад избыточного давления всегда положителен и обозначается одной буквой Р . В вакуумных системах доильных установок рабочий перепад равен разнице атмосферного давления Р 0 и величине вакуума h . В некоторых учебниках [76, 82] перепад вакуума записывается как разность двух его значений, а графики интерпретируются в четвертом квадранте на оси абсцисс, по которой откладываются значения атмосферного давления. Такая условность с позиций физики нагляднее и больше соответствует действительности, но при рассмотрении динамических процессов с использованием передаточных функций, где значение вакуума приходится возводить в высшие степени, применение двучленов затрудняет и даже делает невозможным использование основного математического аппарата теории систем автоматического регулирования. Поэтому в наших исследованиях, как и в промышленной пневмоавтоматике, рабочий перепад вакуума положителен, обозначается буквой Р , и графики вакуумных динамических процессов тоже изображаются в положительном квадранте системы координат.
*Для дросселей и пневматических камер, работающих в доении на низком вакууме, в которых истечение воздуха происходит при малых перепадах давлений, не учитывается влияние на их характеристики струй изменений плотности воздуха, связанных с изменением давлений, истечение происходит в докритических режимах ( Р / Р ат < 0,53).
*Считается, что расходные характеристики дросселей в неустановившихся режимах работы такие же, как и в установившихся: принимается, что во всех случаях каждой данной разности давлений до и после дросселя соответствует один и тот же расход воздуха (условия квазистационарности течения).
*Берутся средние значения давлений: считается, что давление не меняется от одной точки камеры до другой.
*Вводятся упрощающие допущения в отношении процессов изменения состояния воздуха в камерах, предполагают, что процесс изотермический или адиабатический.
На основании принятых допущений и многочисленных проведенных ранее во ВНИПТИМЭСХ исследований динамики вакуумных элементов и доильных систем [38, 85, 87, 89, 91, 93, 94] установлено, что все они преимущественно линейные или легко линеаризуемые. Поэтому основным научным принципом (исходным положением) настоящих исследований является линейность вакуумных доильных систем. Следовательно, динамические процессы в доильных системах можно исследовать классическими методами теории систем автоматического регулирования [95, 96].
