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].
2 РЕТРОСПЕКТИВА АВТОМАТИЗАЦИИ ДОЕНИЯ
2.1 Ретроспектива автоматизации доения коров в России
Молочное скотоводство является самой сложной отраслью производства продукции животноводства, требующей устойчивой кормовой базы и особого внимания и заботы обслуживающего персонала. В западноевропейских странах и в США технологии и средства производства и переработки молока отрабатывались и передавались из поколения в поколение веками. Они прошли эволюционный путь развития от личных, фермерских, средних и крупных молочных хозяйств до современных крупных механизированных и автоматизированных молочных ферм и комплексов с современными информационными технологиями и отселекционированным поголовьем с продуктивностью до 8 – 10 тыс. кг на голову в год и более.
В России же наиболее благоприятные условия для развития молочного скотоводства складывались только после отмены крепостного права (1861 г.) и продолжались до 1913 года (всего 2 – 3 поколения крестьян). За этот исторически короткий период были созданы крестьянские молочные хозяйства, которые в 1913 году обеспечили России мировое лидерство по объемам производства молока [11].
В результате гражданской и двух мировых войн оно было утрачено и восстановлено только через 75 лет – к 1990 году (произведено 108,7 млн т молока) за счет общественного поголовья. Повторное восстановление отрасли производства молока потребует не только адекватных затрат и средств, но и времени.
В начале этого века (2003 г.) машинному доению коров исполнилось 100 лет. За это время сложнейшие доильные технологии и техника прошли славный путь своего развития – от ручного доения до современных автоматизированных доильных установок и роботов.
В странах Евросоюза ручное доение уже не применяют, но в России каждую третью корову доят вручную – в основном в личных подсобных хозяйствах, насчитывающих по 1–2 коровы для собственных нужд крестьянских семей. И объясняется это неустойчивостью рынка, отсутствием организации гарантированного сбыта молока, суровыми зимами, не позволяющими обеспечить в малых неотапливаемых коровниках положительную температуру, необходимую для работы средств механизации доения и автопоения.
Из-за низких продуктивности животных и покупательной способности сельхозтоваропроизводителей в механизации доения в России преобладает простейшее машинное доение коров в ведра, в то время как на Западе отдается предпочтение установкам с молокопроводом, оснащенным автоматами снятия доильных стаканов, доильным залам с автоматизированными доильными установками типов «тандем», «елочка», «карусель», «европараллель» и др., оснащенными манипуляторами [37].
