Общая характеристика биотехнической системы «доильная машина — испытательное оборудование — животное»



Одной из наиболее актуальных проблем современного АПК является разработка и эффективная эксплуатация биотехнических систем, а также разработка для них адаптивной техники. В настоящее время биотехнические системы получили широкое распространение в нашей жизни и люди постоянно являются звеньями этих систем. Эффективная работа таких биотехнических систем требует разработки новых методов — методов адаптации, биологического управления, методов сочетания живого и технического [1].

Система «доильная машина — испытательное оборудование — животное» (рис.1) состоит из звеньев (или подсистем) двух видов — биологического (животное) и двух технических (доильные машины и испытательное оборудование).

Рис. 1. Система «доильная машина — испытательное оборудование — животное»

Сложность этой системы связана с неодинаковой природой звеньев системы и связей, имеющих место внутри системы. Связи между биологическими звеньями (животными) сложные, поскольку управляются законами биологии, физиологии, биохимии. Связи между техническими звеньями (машинами) проще, т. к. они основаны на законах физики, математики, механики. Становится очевидным, насколько сложна задача нахождения оптимальных связей между биологическими и техническими звеньями системы, связей, которые обеспечивают высокоэффективную работу всей системы в целом.

В процессе работы звенья системы и сама система, подвергаясь самым разнообразным воздействиям, не всегда работают эффективно. Для более эффективного функционирования всей системы необходимо определить роль каждого звена в их взаимодействии.

Следует обратить внимание на то, что полноценно реализовать функциональный потенциал технических объектов системы можно только благодаря четкому и грамотному управлению ими. Этого можно достичь только в том случае, когда роль оператора и испытателя выполняет специально обученный персонал.

Оператор контролирует различные показатели звеньев системы (доильная машина, испытательное оборудование), сравнивает их, оценивает и на этом основании принимает определенные решения, снова оценивая эффективность их реализации.

Процесс управления может быть определен как организация оператором целенаправленных воздействий непосредственно и при помощи технической части управляющей системы на объект для достижения необходимого полезного эффекта при наличии возмущающих воздействий внешней среды и возможных возникновениях внутренних помех.

Одной из потенциальных возможностей дальнейшего роста производства продукции в животноводстве является повышение продуктивности животных путём лучшего использования их индивидуальных особенностей. Большие перспективы в области автоматизации, как животноводства, так и всего сельского хозяйства раскрываются перед роботами и робототехническими системами. Наибольший интерес, но и в то же самое и наибольшую сложность, представляет роботизация процесса доения коров. В нашей стране и за рубежом разработано довольно большое количество интересных и разнообразных конструкций манипуляторов. Их разработка ведется в трех направлениях: для стационарных установок, размещенных на специальных доильных площадках и в доильных залах («Тандем», «Елочка»), передвижных манипуляторов, перемещающихся по специальным направляющим, смонтированным вдоль стойл коровника, и переносных манипуляторов [2].

При машинном доении доильный аппарат находится во взаимодействии с выменем животного 2…4 раза в день по 4…5 минут на протяжении всего периода лактации. При положительном воздействии доильной техники на животное происходит стимуляция рефлекса молокоотдачи, увеличение продуктивности и качества молока. При отрицательном воздействии доильной техники животные испытывают болевые ощущения, которые приводят к торможению рефлекса молокоотдачи, неполному выдаиванию и болезням вымени [1]. Следовательно, доильная техника, находясь во взаимодействии с животным, должна быть максимально к нему приспособлена и работать в щадящем или в стимулирующем режиме. Такая схема функционирования системы представлена на рис.1 I — вариант, оператор машинного доения обслуживает животное, доильной машиной не прошедшей испытания и подбор на специальном оборудовании.

К сожалению, разрабатываемые технологические приемы и машины для «обслуживания» животных слабо увязаны с ними с физиологической точки зрения, к тому же пока исследователи не рассматривают животных как биоэнергетические функциональные звенья системы, являющиеся носителями высокой генетической и нервной информации. Такому положению в немалой степени способствует и раздвоение животных как объектов исследований — биологический и инженерный [1].

Для решения этой проблемы необходимо использовать «идеальный» доильный аппарат, который должен возбуждать рефлекс молокоотдачи у коровы, быть простым по конструкции, удобным в эксплуатации, быстро и чисто доить, а также не вызывать заболеваний вымени [2].

Выбор «идеальной» конструкции доильного аппарата является задачей трудноразрешимой, если пользоваться простым апробированием различных аппаратов в производственных условиях [2].

Функциональные испытания доильного оборудования, а также доработка его конструктивно — режимных параметров должны производиться в лабораторных условиях. Для этого необходимо использовать испытательные стенды и контрольно-измерительное оборудование, с помощью которых осуществляется имитация необходимых морфологических, физиологических и анатомических параметров организма животного [3, 4, 5, 6].

При проведении испытания доильных аппаратов в лабораторных условиях не наносится ущерб здоровью животным, т. к. исключено воздействие на соски доильного аппарата. При этом на результаты опыта не влияют многие факторы, такие как тщательный подбор животных по продуктивности, стрессоустойчивости, условиям содержания, которые невозможно учесть при испытании на коровах — аналогах, что в свою очередь влияет на достоверность испытаний [1, 2].

Испытание доильного оборудования непосредственно на животных может отрицательно сказаться на их здоровье и привести к уменьшению периода лактации, но при использовании вычислительной техники предоставляется уникальная возможность избегать жестких производственных экспериментов, оперируя математическими моделями. Как известно, они составляют основу автоматизации проектирования, а огромные вычислительные ресурсы современных компьютеров позволяют использовать математические модели высокой степени сложности [2]. Работа системы по II — варианту представлена на рис.1., оператор машинного доения обслуживает животное, доильной машиной прошедшей испытания и подбор на специальном оборудовании, благодаря этому он становится «оптимальным» для данной группы животных.

При проведении научно-исследовательских работ необходимо интенсивно внедрять и эффективно эксплуатировать математические модели, для того чтобы исключить при создании доильного оборудования «жесткий» производственный эксперимент. Математическое моделирование при использовании современных вычислительных мощностей, опираясь на обобщение ранее полученного опыта в вопросах стандартизации и отбора животных, не требует дополнительных материальных средств и времени для решения проблем, связанных с многократной повторяемостью лабораторно-производственных экспериментов. Оптимизация параметров технических систем для физиологической эвакуации молока из цистернальных отделов вымени с применением компьютеров является качественно новым подходом к созданию и развитию доильной техники.

Только компьютерное моделирование, используемое при оптимизации взаимосвязей элементов системы «доильная машина — испытательное оборудование — животное», является тем фактором, без учета которого практически невозможно решить проблему индустриализации молочного скотоводства при максимальной реализации потенциала продуктивности животных и сохранении генофонда крупного рогатого скота России.

Как показал анализ развития технического звена системы «доильная машина — испытательное оборудование — животное», лежащий в основе методологии ее исследования, существуют реальные технологические и энергетические предпосылки, а также достоверные способы технической реализации потенциала продуктивности животных. Это определяет кардинальное направление оптимизации взаимосвязей элементов системы, эффективность которой обоснована технико-экономическим прогнозом внедрения методологического обеспечения создания и развития доильных машин нового поколения.

Животные являются активными биологическими звеньями, поэтому необходимо глубокое изучение их форм поведения в среде, искусственно созданной человеком. Нельзя не учитывать того, что животные являются носителями высокой генетической и нервной информации. Всё это необходимо для комплексной и объективной оценки животного с целью имитации этих особенностей на испытательном оборудовании.

Эффективная работа системы «доильная машина — испытательное оборудование — животное» зависит от согласованной работы всех ее звеньев. Этого можно добиться только при тщательно продуманной организации системы, полном контроле ее основных характеристик, наличии обратной связи, применении технически более совершенных машин, разработанных в полном соответствии с физиологическими особенностями животных. Следует также помнить о важной роли и значении человека-оператора.

Оптимизация параметрических характеристик системы «доильная машина — испытательное оборудование — животное» предполагает выход на качественно новое, высокоэффективное направление совершенствования доильной техники, что позволит ускорить решение проблемы экономического становления агропромышленного комплекса.

Литература:

1. Шахов В. А., Поздняков В. Д., Козловцев А. П., Герасименко И. В. Повышение эффективности использования и эксплуатационной надежности доильных аппаратов / Вестник ЧГАА том 67/1 // Научный журнал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Челябинская государственная агроинженерная академия» — Челябинск 2014. — С. 60–64.
2. Герасименко И. В. «Разработка методики и определение конструктивно-режимных параметров испытательного стенда для доильных аппаратов»: Дис. канд. техн. наук. Оренбург. 2008. — 151 с.
3. Соловьев С. А., Герасименко И. В. Стенд для испытания доильных аппаратов Патент РФ № 2279797, Бюл. № 20, 20.07.2006.
4. Соловьев С. А., Герасименко И. В., Шахов В. А. Стенд для испытания доильных аппаратов Патент РФ № 2285390, Бюл. № 29, 20.10.2006.
5. Соловьев С. А., Герасименко И. В., Шахов В. А. Стенд для испытания доильных аппаратов Патент РФ № 2298317, Бюл. № 13, 10.05.2007.
6. Соловьев С. А., Герасименко И. В., Шахов В. А. Контрольно-испытательный комплекс Патент РФ на полезную модель № 66150, Бюл. № 25, 10.09.2007.