Доильные аппараты с механизмами для стимулирования отдачи молока

12.11.2014

Простые механические массажники, имитирующие ручной массаж вымени, известны давно. В патентной литературе можно найти описания таких устройств. В Ленинградском сельскохозяйственном институте был разработан способ механического массажа вымени, но он был очень сложен, а потому не получил практического применения.
Одно время в ВИЭСХе и ТСХА изучали влияние на вымя так называемого вакуумного массажа, который вызывал увеличение содержания жира в молоке, но этот вид массажа не давал повышения производительности труда доярок, а потому работа над ним была оставлена.
В настоящее время можно сделать вывод, что механизация массажа вымени может представить научный и практический интерес, если удастся использовать его как средство для стимулирования отдачи молока у коров и других животных. При этом нельзя ограничиться применением только вакуумного массажа, тем более что техническое осуществление его в отдельных случаях бывает очень трудным. Вероятно, следует изучать все виды механического массажа и выбрать для практического применения наиболее простой и эффективный.
Важным является вопрос о том, когда применять массаж вымени, чтобы наиболее эффективно стимулировать отдачу молока животными.
И. И. Грачев в своей монографии приводит описание опытов по изучению длительности массажа вымени коз перед доением. По его данным оказалось, что наиболее эффективным массаж вымени -получается в том случае, если его продолжительность равна длительности латентного периода.
Вероятно, при доении Коров двухтактным способом наиболее целесообразным будет проведение массажа за 1—2 мин до начала машинного доения. В этом случае массаж обеспечивает припуск коровой молока, и доильная машина воздействует на вымя только тогда, когда молоко уже припущено. Однако практическое осуществление такого способа представляет некоторые технические трудности. Еще не создан индикатор, определяющий момент готовности коровы к доению.
Наиболее простым представляется другой путь: пускать а работу и массажник, и доильную машину одновременно. При этом действие доильной машины должно быть в первую минуту очень слабым и совершенно безвредным, не вызывающим торможения отдачи молока. При двухтактном способе доения для этого можно временно снижать вакуум, например, до 25—30 см рт. ст.
При наступлении хорошей отдачи молока вакуум должен повышаться до нормального (принятого для данной машины), а одновременно должно усиливаться действие и других факторов (например, удлиняться такт сосания или увеличиваться число пульсаций), т. е. должна действовать положительная обратная связь.
Практика США показала, что возбуждение отдачи альвеолярного молока задолго до доения нельзя признать приемлемым, так как это вызывает снижение продуктивности коров. Наиболее целесообразно возбуждать отдачу в то время, когда выдаивается цистернальное молоко. Следовательно, в это время: вымя можно и доить, и массажировать. Массаж можно продолжать и дальше, чтобы не ослабить отдачи молока. Таким образом, можно прийти к выводу, что механический массаж полезен на протяжении всего доения.
Для доильных аппаратов с пульсирующим вакуумом под сосками применение механического массажа вымени наиболее удобно. Эти доильные аппараты безопасны и не вызывают торможения отдачи молока, поэтому их действие может быть совмещено с массажем, что значительно упрощает все устройство. Это и послужило причиной того, что разработка новых способов механического стимулирования молокоотдачи была начата применительно к доильному аппарату с однокамерными доильными стаканами. О таком стакане с гофрированным присоском уже говорилось выше.
Гофрированные трубки, длина которых изменяется под действием пульсирующего вакуума, можно использовать не только в виде гофрированных присосков, но их можно применять, например, вместо трубок, соединяющих коллектор с межстенным пространством двухкамерных доильных стаканов (рис. 96), как для стимулирования молокоотдачи, так и для предотвращения наползания доильных стаканов. Под действием пульсирующего вакуума эти трубки то укорачиваются, то удлиняются. Укорачивание совпадает с действием вакуума, а удлинение — с впуском в них воздуха и повышением давления до атмосферного. При укорачивании трубок коллектор движется вверх, а стаканы оттягиваются вниз и немного сползают с сосков за каждую пульсацию. Эффективность такого воздействия можно регулировать путем изменения скорости откачивания воздуха из меж-стенного пространства доильных стаканов за каждую пульсацию и подбора веса коллектора. При некотором режиме может оказаться, что стаканы не только не будут наползать на соски в такт сосания, а наоборот, будут спадать с сосков. Но это крайний случай. Для нормального же доения режим можно подбирать экспериментально по скорости выдаивания и наименьшей величине ручного додоя.
При поступлении воздуха в межстенное пространство доильных стаканов коллектор будет опускаться. Это вызовет потерю оттягивающей силы, но не будет способствовать наползанию доильных стаканов, так как этому препятствует само сжатие сосковой резины. Естественно, что как длина гофрированных трубок, так и расположение соответствующих патрубков на коллекторе и доильных стаканах должны быть правильно подобраны.
Наряду с предотвращением наползания, периодическое изменение оттягивания сосков вызывает соответствующие колебания вымени и массаж его, что стимулирует отдачу молока. При совпадении собственных колебаний системы вымя — доильный аппарат — с частотой вынужденных колебаний возможен резонанс колебаний, который может вызвать новый физиологический эффект стимулирования отдачи молока.

Доильные аппараты с механизмами для стимулирования отдачи молока

Вполне возможно осуществление механического массажа и при попарном доении сосков. В этом случае массаж усиливается еще и боковыми движениями, что вызывает раскачивание вымени, которое считается очень полезным, например, при работе аппарата с подвешиваемым ведром. У таких аппаратов раскачивание ведра -обычно вызывают соответствующей установкой подпруги, на доторой его подвешивают. При наличии гофрированных трубок пульсирующего вакуума раскачивание происходит более интенсивно и независимо от способа подвешивания доильного ведра.
При трехтактном способе доения пульсирующий вакуум действует как в трубке пульсирующего вакуума, так и в молочной трубке. Однако последняя меньше подходит для осуществления механического массажа вымени, так как по ней течет молоко. Поэтому для трехтактного способа доения массаж можно осуществить так же, как и для двухтактного — через трубки пульсирующего вакуума. Но следует иметь в виду, что наползание доильных стаканов при трехтактном способе доения меньше а эффективность воздействия пульсирующего вакуума больше, так как движение коллектора вверх, а стаканов — вниз начинается в тот момент, когда еще не кончился такт отдыха. В этом случае для опускания доильных стаканов потребуется меньшая сила.
Интенсивность массажа регулируют в общем патрубке пульсирующего вакуума коллектора или в патрубке пульсирующего вакуума пульсатора. Для этой цели применяют пробковый или винтовой кран, частично перекрывающий сечение патрубка.
В описанном устройстве есть один недостаток: небольшой вес коллектора большинства доильных аппаратов. Поэтому в тех случаях, когда нет других причин к увеличению веса коллектора, для повышения эффективности механического массажа приходится прибегать к использованию дополнительных грузов. В дальнейшем это привело к разработке целого ряда массажников, в которых в качестве возбудителя вынужденных колебаний вымени применяют дополнительный груз, присоединяемый к каждому доильному стакану или к коллектору через гофрированную трубку.
Действие таких универсальных массажников также основано на использовании силы, возникающей в результате периодического перемещения дополнительного груза, воздействующего на доильные стаканы и вымя коровы.
На рис. 97 показано устройство, воздействующее на каждый доильный стакан, а на рис. 98 — устройство, воздействующее на все стаканы через коллектор. На рис. 99 и 100 показаны еще два варианта массажника, действующего через коллектор, но не снизу, а сверху. Последний вариант особенно хорошо подходит для доильного аппарата с однокамерными стаканами, работающими при помощи коллектора от трехтактного доильного аппарата.
Доильные аппараты с механизмами для стимулирования отдачи молока

Массажник, изображенный на рис. 97, работает следующим образом. При такте сосания вакуум, действующий в гофрированной трубке 2, заставляет ее сократиться. При этом груз поднимается вверх, а доильный стакан оттягивается вниз. Когда груз достигнет верхнего положения, он толкает доильный стакан вверх. При такте сжатия в гофрированной трубке действует атмосферное давление. Она удлиняется, груз опускается, и доильный стакан испытывает уменьшение оттягивающей силы, а при нижнем положении груза — толчок вниз. Таким образом, при нормальном числе пульсаций (40—60 в минуту) за каждую пульсацию доильный стакан дважды воздействует на сосок и вымя, толкая их вверх и вниз. Такие толчки приводят вымя в колебание, нанося ему раздражения, стимулирующие отдачу молока. Помимо этого, периодическое оттягивание доильного стакана вниз препятствует излишнему наползанию его на соски и избавляет от ручного или машинного додаивания.
Периодическое изменение длины гофрированной трубки от действия пульсирующего вакуума, передаваемого одновременно и в межстенное пространство доильных стаканов, обеспечивает поднимание и опускание груза 4 синхронно с частотой пульсаций. В тех случаях, когда частота пульсаций больше обычной, паузы между движениями груза вверх и вниз уменьшаются и при некоторой частоте становятся равными нулю. Тогда воздействие на вымя будет более эффективным, так как за толчком вверх сразу последует уменьшение оттягивания вниз, а за толчком вниз — увеличение оттягивания вниз, и частота воздействий на вымя будет одинакова с числом пульсаций.
Доильные аппараты с механизмами для стимулирования отдачи молока

Для надежного действия массажника при большом числе пульсаций сила веса груза может оказаться недостаточной для сообщения ему нужных ускорений, а поэтому внутри гофрированной трубки установлена пружина 3, которая дополняет действие силы тяжести. Подбором пружины соответствующей упругости можно легко обеспечить нужную амплитуду колебаний груза в доильном аппарате с регулируемым давлением в межстенном пространстве доильных стаканов, который нуждается в таком стимуляторе больше других аппаратов. Амплитуда изменения вакуума в межстенном пространстве у него сравнительно мала. Конечно, вместо гофрированной трубки 2 можно использовать цилиндр, а вместо груза 4 — тяжелый поршень. Действие этого устройства будет таким же, как описанного выше, но оно не будет удовлетворять требованию надежности в работе. Кроме того, цилиндр с поршнем обойдутся во много раз дороже. Расход воздуха при этом будет также очень велик, так как утечка его через зазор между поршнем и цилиндром всегда имеет место, как бы точно они ни были изготовлены. Поэтому этот вариант хотя и является технически вполне осуществимым, но уступает устройству с гофрированной трубкой.
Показанный на рис. 97 массажник обеспечивает надежное стимулирование каждого соска, но при его применении требуется иметь на каждый аппарат четыре стимулятора, которые можно заменить одним. При этом общий стимулятор (см. рис. 98) целесообразно расположить под коллектором. Этот вариант будет наиболее подходящим для обычного двухтактного способа доения и для доильного аппарата с регулируемым давлением в межстенном пространстве доильных стаканов.
Действие его аналогично действию массажника, показанного на рис. 97. Следует только добиваться того, чтобы стимулирующее действие распространялось на все доильные стаканы равномерно, что достигается путем правильного выбора длины молочных трубок в соответствии с расположением и длиной сосков у большинства коров данного стада.
На рис. 99 показано устройство с расположением стимулятора сверху коллектора. Этот вариант удобен для коллектора трехтактной доильной машины, у которой камера пульсирующего вакуума расположена вверху. Для доильной машины с регулируемым давлением в межстенном пространстве доильных стаканов, переделанной из трехтактной доильной машины, такой -вариант также будет целесообразным. Устройство действует следующим образом. При такте сосания груз опускается и сначала немного уменьшает силу, действующую вниз на коллектор, а затем с силой ударяет по нему вниз. Это воздействие через доильные стаканы передается вымени коровы. При такте сжатия груз поднимается вверх, а коллектор опускается вниз, что также дает толчок доильным стаканам вниз, а затем вверх. Назначение пружины — поднимать груз вверх против действия силы тяжести.
На рис. 100 показано устройство, аналогичное изображенному на рис. 99, но предназначенное для доильного аппарата с однокамерными стаканами, в котором использован коллектор от трехтактной доильной машины. Для доильной машины с однокамерными доильными стаканами этот вариант является наиболее целесообразным. Необходимо заметить, что при доении аппаратом с однокамерными доильными стаканами применение универсального массажника может дать особенно благоприятные результаты.
Доильные аппараты с механизмами для стимулирования отдачи молока

Экспериментальное исследование массажников проводилось с различными доильными аппаратами. Вышеописанный аппарат с периодическим вакуумом под сосками был также оснащен стимулятором молокоотдачи (рис. 101). Его исследовал кандидат технических наук С. Г. Аббасов. После хозяйственных испытаний аппарат прошел государственные испытания на Подольской МИС при вакууме 38—40 см рт. ст и числе пульсаций 60—70 в минуту. Аппарат со стимулятором сравнивался с точно таким же аппаратом без стимулятора и с аппаратом «Волга». В результате испытаний выявили следующее.
1. Применение механического стимулятора молокоотдачи Улучшает ряд показателей работы доильного аппарата: скорость доения увеличивается на 21%, время механического додаивания сокращается с 2,01 мин до 1,06 мин.
2. Доильный аппарат со стимулятором имеет худшую по сравнению с аппаратами без стимулятора характеристику изменения вакуума в камерах доильных стаканов, что ухудшает условия доения:
а) растянуты по времени переходные процессы между тактами, например, переход от такта сжатия к такту сосания занимает 0,38 сек против рекомендованных 0,06 сек;
б) при такте сжатия вакуум в межстенной камере только приближается к атмосферному давлению.
Полученные более высокие эксплуатационные показатели аппарата со стимулятором при неблагоприятной вакуумной характеристике можно объяснить как действием стимулятора, так и более растянутым тактом истечения молока.
Испытания показали, что следует продолжить работы над усовершенствованием доильного аппарата со стимулятором молокоотдачи.
Дальнейшее изучение этого вопроса показало, что расчет механических и пневматических устройств, осуществляющих колебательный процесс, не вызывает трудностей. Затруднения встречаются только при рассмотрении колебаний вымени. Поскольку вымя является живым органом, необходимо знать как действуют колебания на живой организм. В книге И. А. Корчинского дается график физиологического воздействия вибраций на человека (рис. 102).
Доильные аппараты с механизмами для стимулирования отдачи молока

Из графика видно, что колебания с амплитудой 0,3 мм едва ощутимы при частоте 120 кол/мин, но вредны при частоте 3000 кол/мин.
Эти данные говорят о том, что при применении высокочастотных колебаний на вымя едва ли можно ожидать положительного эффекта, стимулирующего молокоотдачу.
По-видимому, при определении параметров стимулирующих колебаний лучше исходить из характера тех колебаний, которые создает теленок при толкании вымени мордой, и из физических свойств самого вымени. Толкание мордой теленка отличается незначительной частотой и большой амплитудой. Физические же свойства вымени надо приближенно рассматривать исходя из того, что оно представляет собой как бы массу, подвешенную на пружине.
Особенностью этой модели вымени является то, что масса не расположена на конце пружины, а распределена равномерно, и, кроме того, вся эта система отличается большим коэффициентом затухания. Исходя из этой модели можно приближенно найти частоту собственных колебаний вымени и затем подойти к более правильному определению числа пульсаций доильного аппарата, имеющего устройство для стимуляции молокоотдачи. Если частота собственных колебаний системы вымя — доильный аппарат совпадает с числом вынужденных колебаний, то наступает резонанс колебаний и амплитуда колебаний будет максимальной.
Если резонансные колебания вымени полезны, то необходимо приблизить число пульсаций к резонансной частоте вымени. Если они вредны, то число пульсаций доильного аппарата должно быть в 2—3 раза больше или меньше. Многие исследователи доильных машин уже пытались увеличивать число пульсаций (до 150—300 в минуту) у различных аппаратов (без стимуляторов), но это не давало существенных результатов, а поэтому они снова возвращались к числу пульсаций в пределах 40—80 в мин.
Для приближенного определения частоты собственных колебаний вымени применялись известные формулы, как для груза, подвешенного на пружине
Доильные аппараты с механизмами для стимулирования отдачи молока

где m — масса тела (вымени);
с — коэффициент упругости, выраженный в кГ на 1 см удлинения пружины;
fn — частота колебаний.
Масса m имеет вес, равный mg. Статическое удлинение пружины под действием этого веса равно
Доильные аппараты с механизмами для стимулирования отдачи молока

или
Доильные аппараты с механизмами для стимулирования отдачи молока

Выражение для частоты собственных колебаний получим в следующем виде:
Доильные аппараты с механизмами для стимулирования отдачи молока

Эта формула дает возможность подойти к приближенному определению частоты собственных колебаний вымени, если экспериментально определить статическую деформацию вымени при приложении к нему силы, оттягивающей его вниз или поднимающей вверх.
Для изучения величины статической деформации вымени были взяты два способа: по первому определялась высота расположения вымени над полом до доения и после доения и взвешивался удой; по второму — вымя подпиралось вверх с различной силой специальным устройством, позволяющим определить эту силу и величину деформации вымени в вертикальном направлении. Такие измерения были сделаны у 27 коров.
Коэффициент упругости К в этом случае получается как отношение веса выдоенного молока к изменению высоты положения вымени над полом. В среднем он равен 3,5 кГ/см. Если считать вес вымени вместе с молоком равным 15 кг, то
Доильные аппараты с механизмами для стимулирования отдачи молока

При удое, равном 5 кг, вес вымени после доения будет 10 кг, и тогда
Доильные аппараты с механизмами для стимулирования отдачи молока

По мере выдаивания коровы частота собственных колебаний вымени изменяется в сторону увеличения.
Средняя величина деформации вымени в вертикальном направлении, получаемой от воздействия внешней силы в 5 кГ, составляет 3 см.
В этом случае для того же вымени до доения
Доильные аппараты с механизмами для стимулирования отдачи молока

после доения
Доильные аппараты с механизмами для стимулирования отдачи молока

Конечно, размеры и физические показатели вымени, а также величина удоя у разных коров могут дать большие отклонения от полученных величин. Приведенные элементарные расчеты дают, однако, некоторое представление о том диапазоне числа пульсаций, в котором следует экспериментально искать резонансные колебания вымени.
Экспериментальное изучение собственных колебаний вымени проводил С. Г. Аббасов с помощью киносъемки. У различных коров вымя толчками приводили в колебательное состояние и эти сильно затухающие колебания снимали на кинопленку. Опыт проводили до и после доения. Частота собственных колебаний вымени у разных коров находится в пределах 140—200 в минуту. Наиболее часто встречается частота 160—170 в минуту, что почти совпадает с приведенным расчетом по первому способу.
Затем тех же коров доили по нескольку дней аппаратом со стимулирующим устройством, меняя через три дня частоту пульсаций, а следовательно, и частоту вынужденных колебаний стимулятора, от 40 до 220 в минуту с интервалами 20 кол/мин. При этом точно фиксировали продолжительность доения, величины удоя и ручного додоя. Разделив величину каждого удоя на продолжительность доения, получали скорость доения для разных чисел пульсаций. По этим данным был построен график, приведенный на рис. 103.
Доильные аппараты с механизмами для стимулирования отдачи молока

Как видно из графика, скорость доения у всех коров заметно увеличивается при приближении к резонансной частоте и достигает максимума при доении с резонансной частотой пульсаций. При этом визуально можно было заметить значительное увеличение амплитуды колебаний вымени, доходящей до 7—15 мм.
Эксперимент, однако, показал, что максимальная скорость доения при резонансной частоте пульсаций достигается не сразу. В первые несколько доек у ряда коров снижается скорость доения, пока корова не привыкнет к этому новому режиму.
Настройку (регулировку аппарата на резонансную частоту) можно легко выполнить с помощью регулировочного винта обычного пульсатора, поскольку в этом устройстве частота пульсаций синхронна с частотой вынужденных колебаний стимулятора. При достижении синхронизации между частотой пульсаций и частотой собственных колебаний вымени амплитуда колебаний вымени становится наибольшей, что хорошо заметно на глаз.
Однако для уменьшения затрат ручного труда и более свое временного и надежного обеспечения резонансного доения нужно разработать экстремальный регулятор, автоматически обеспечивающий описанный резонансный режим доения.
Раздражения вымени с резонансной частотой в целях стимуляции молокоотдачи можно распространить гораздо шире, чем это описано. В частности, подмывание вымени можно значительно интенсифицировать в указанном -направлении и сделать его более эффективным. Это могло бы найти широкое использование в таких доильных установках, где применяются подготовительные станки, куда коровы заходят перед доением. Для этого нужно обеспечить постоянство температуры воды для подмывания вымени, увеличить норму расхода этой воды (до 10 л на корову), повысить ее напор и сделать поток жидкости пульсирующим с частотой собственных колебаний вымени. Параметры этого устройства необходимо поддерживать в оптимальном режиме автоматически.