Приоритетные направления роботизации процессов на молочных фермах

Предложен путь их роботизации с учетом организационных форм производственных процессов молочно-товарных ферм Российской Федерации. Дано краткое описание принципов работы перспективных инженерных решений для отечественного молочного животноводства.

В последние годы на мировом рынке доильного оборудования активное продвижение получили авто­матические системы доения. Основная доля доильных роботов (с двумя боксами) закупается животноводче­скими предприятиями со средним размером поголовья 120 коров. Однако эти системы нашли применение не только на малых и средних фермах, в настоящее время они устанавливаются и на больших предприятиях с поголовьем животных более 1000 голов.
Концепция конструктивного исполнения доильных роботов за последнее время несколько изменилась. На рынке предлагаются автоматизированные установки четырех типов:
- доильный робот состоит из одного доильного бокса, обслуживаемого одной рукой-манипулятором;
- система включает в себя два параллельно установленных доильных бокса, обслуживаемых размещенной между ними одной рукой-манипулятором (может состоять из одного доильного бокса);
- доильный робот выполнен в виде модуля с двумя сблокированными параллельными доильными боксами, обслуживаемыми одной рукой-манипулятором;
- роботизированная система состоит из нескольких доильных боксов, смонтированных один за другим (тандемного типа) и обслуживаемых одной рукой-манипулятором. Наибольшее распространение получили однобоксовые доильные роботы.
Практика показала, что в целом работа автоматизированных доильных систем не вызывает нареканий. В то же время существует ряд проблем, сдерживающих их широкое применение на молочных фермах России. Анализ работы доильного робота Astronaut A4 компании Lely (Нидерланды) позволил выявить как положительные, так и отрицательные стороны его эксплуатации на молочных фермах нашей страны (см. таблицу).

В результате анализа производственного процесса на молочной ферме, оснащенной автоматизированной доильной установкой, установлено, что большинство отрицательных факторов ее применения обусловлено высокой стоимостью и длительным сроком окупаемости.
В технологическом плане система почетвертного доения, раздача комбикормов пропорционально продуктивности животного, автоматическая установка количества суточных доений в зависимости от периода лактации оказывают положительное влияние на эффективность содержания животных, продуктивное долголетие и профилактику заболеваний.
Учитывая специфику молочного животноводства нашей страны, где преобладают фермы с относительно большим поголовьем молочного скота, роботизация процессов доения не всегда может оказаться эффективной. С учетом обслуживающих возможностей доильного робота (до 70 голов) становится понятным, что данное технологическое решение актуально лишь для малых фермерских хозяйств, владеющих большим количеством денежных средств. В свою очередь, большая часть отрасли молочного животноводства России сформирована на базе молочно-товарных ферм с поголовьем от 400 дойных коров, на которых применяются доильные залы типа «Ёлочка», «Тандем», «Параллель» и «Карусель». Большой интерес представляет модернизация этих установок с использованием унифицированного доильного модуля, оснащенного системой почетвертного доения и контроля качества молока. Это позволит снизить заболеваемость коров маститом и получить высокое качество молока.
Основными управляющими органами доильной установки будут счетчик-датчик молока, осуществляющий контроль молокоотдачи каждой четверти вымени, и контроллер (блок управления), обрабатывающий данные процесса доения. Доильные стаканы управляются посредством автоматического манипулятора, оснащенного системой точного позиционирования в пространстве.
Создание унифицированного доильного модуля отечественного производства позволит осуществлять модернизацию существующих доильных залов и оснащать новые фермы современным технологическим оборудованием с учетом специфики организации отечественного животноводства.
На рис. 1 представлена принципиальная схема доильной установки.

Удаление навоза из животноводческих помещений – один из наиболее трудоемких процессов на ферме. Для снижения затрат труда и обеспечения качественной и своевременной уборки в животноводческих помещениях за рубежом были разработаны автоматизированные системы навозоудаления. Однако все навозоуборочные роботы зарубежного производства выполняют уборку навоза только с поверхности пола помещения или проталкивают его в щелевые полы.
Для повышения эффективности применения подобных машин на отечественных фермах представляется целе­сообразным создать один многофункциональный агрегат, выполняющий несколько операций: очистка стойл, замена подстилки и пододвигание корма. Бункер такого агрегата может быть адаптирован под раздачу комбикормов. Данная машина позволит значительно сократить затраты ручного труда на выполнение указанных операций.
В конструктивном исполнении такого агрегата можно будет учесть различия в планировке коровников, особенности конфигурации и габаритные размеры навозных каналов и кормовых столов, после задания параметров которых, а также необходимого расхода подстилки (или кормов), времени дойки животных по секциям блок управления робота с помощью программного обеспечения определит необходимые для эффективной работы оптимальные значения скорости движения и частоты вращения рабочих органов.
Общее время работы многофункционального робота на уборке навоза можно определить из выражения:

где L₀ – длина стойл, требующих очистки, м;
В₀– ширина навозного прохода, м;
v – средняя скорость движения робота, м/с;
n – количество разворотов, необходимое для переезда в соседний навозный проход;
t_p– время разворота машины, с;
m – количество переездов робота в соседний навозный проход;
B₁ – расстояние переезда в соседний навозный проход, м.
Работу навозоуборочного робота в условиях беспривязного содержания с доением в залах нужно синхронизировать с выводом животных на доение. Например, имеется четырехрядный коровник, в котором животные условно разделены на несколько дойных групп, чтобы была возможность полностью освободить секцию для работы робота. Тогда выражение для определения времени работы в одной секции будет иметь следующий вид:
                    
где Т_секц – время работы в одной секции, с;
L₀ – длина секции, м.
При этом должно соблюдаться условие: где Тсекц. ≤ Тд , где Тд – время доения животных, расположенных в одной секции, с.
Из приведенных выше формул можно определить минимально необходимую скорость работы робота.
В навозоуборочных каналах в зависимости от схемы его движения. В качестве примера используем схему дви­жения робота в определенном коровнике с четырьмя секциями (рис. 2).

С учетом выражения (2) имеем:
            
t₃ – время на заправку, зарядку и развороты в коровнике, с.
Из приведенного неравенства можно выразить скорость движения робота:

                        
Расчеты показывают, что при следующих исходных данных:
Т=4,5ч=16200 с; t3 =30 мин= 800 с; L=50 м; В₀=2,5м; В₁=12 м поступательная скорость робота должна быть не меньше

При пододвигании кормов или их раздаче необходимо выбирать более рациональный скоростной режим, чтобы как можно больше продлить автономную работу робота без подзарядки.
В настоящее время на большинстве ферм используют раздатчики-смесители кормов, с помощью которых раздают не менее 70% концентратов. Остальную часть (особенно в период раздоя) коровам раздают на доильных установках или вручную. Для этих целей ряд зарубежных фирм выпускает небольшие ручные тележки с механизированной раздачей концентратов с приводом от аккумулятора. Выполнение этой операции предусмотрено на разрабатываемом устройстве. Данная операция по длительности приблизительно аналогична уборке в секции и пододвиганию кормов на кормовом столе:

где Тк.к – время раздачи подкормки, с;
Тпод.к – время пододвигания кормов, с;
Тсекц. – время работы на одной секции, с.
Операция по раздаче кормов может осуществляться совместно с их пододвиганием.
Загрузка робота осуществляется автоматически (без участия персонала) путем опускания ковша-бункера и включения заднего хода. Затраты времени на выполнение этой операции можно определить из выражения:

где Lб-к – расстояние от базы до кормохранилища или хранилища подстилки, м;
toп.к – время опускания ковша, с;
lз.x. – расстояние заднего хода, м;
vз.х – скорость заднего хода, м/с.
Зарядка робота осуществляется на базе. Время зарядки будет зависеть от объема аккумуляторного блока и энергоемкости выполнения операций до приезда на базу, т.е. от количества оставшегося заряда батарей аккумулятора.
Выводы
- Использование унифицированного доильного модуля отечественного производства позволит производить модернизацию существующих доильных залов и оснащать новые фермы современным технологическим оборудованием с учетом специфики организации отечественного животноводства.
-  На отечественных фермах представляется целесообразным применять один многофункциональный агрегат, который выполняет несколько операций: очистку стойл, замену подстилки и пододвигание корма.
Л.П. Кормановский, 
д-р техн. наук, акад. РАН,
Ю.А. Цой, д-р техн. наук, 
проф., чл.-корр. РАН,
В. В. Кирсанов, 
д-р техн. наук, проф.,
Е.А. Никитин, инженер,
В. С. Рузин, инженер, 
ФГБНУ ФНАЦ ВИМ     f