Study of the possibility of increasing the duration of the working process of a feed pusher robot with an active working organ

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Для подталкивания корма на фермах в России уже на протяжении 10 лет используются роботы-подталкиватели [1–3].

В последние 5 лет распространение получили роботы-подталкиватели корма с активным рабочим органом — шнеком. Это, прежде всего, OptiDuo компании DeLaval (Швеция), а также модели Butler Gold и Butler Gold PRO компании Wasserbauer (Австрия) и EМ Lizard компании Euromilk (Польша) [1].

Наряду с достоинствами данных конструкций, в частности, рыхление и перемешивание корма с одновременным внесением концентрата, высокая чистота кормового стола после прохода [4], данные модели роботов-подталкивателей являются достаточно энергоемкими: чтобы преодолевать внутреннее трение и вращать шнек, роботы комплектуются аккумуляторными батареями большой емкости: 200–210 А·ч (две батареи по 100–105 А·ч каждая, соединяемые последовательно для получения напряжения 24 В).

Наибольшее внедрение получил робот-подталкиватель корма OptiDuo.

Особенностью данного робота-подталкивателя корма является то, что во время движения он не может покинуть индукционную линию и вернуться на зарядную станцию. В то же время он потребляет большое количество энергии (из-за привода рабочего органа), а также в режиме ожидания. Для предотвращения полной разрядки аккумуляторов производителем разработана система их защиты. В зависимости от напряжения батареи:

1. 25 В — робот-подталкиватель не запускается (при нахождении на зарядной станции);
2. 23 В — отображается предупреждающее сообщение, но робот-подталкиватель продолжает запуск;
3. 21 В — полная остановка робота-подталкивателя.

При активации системы защиты аккумуляторных батарей необходимо будет заряжать их в течение 12 часов подряд, чтобы вернуть полный функционал роботу-подталкивателю корма.

Производитель в техническом описании заявляет, что возможное число проходов робота в сутки может достигать десяти [5, 6].

Однако, изученный авторами опыт рядовой эксплуатации роботов-подталкивателей в хозяйствах Кировской области говорит о том, что их реальное число выездов в сутки не соответствует технической спецификации. Вместе с тем, по нормам кормления, необходимо увеличивать число подталкиваний корма в сутки.

Цель — изучение возможности повышение длительности рабочего процесса робота-подталкивателя корма с активным рабочим органом увеличением числа его проходов в условиях рядовой эксплуатации.

Объект исследования — робот-подталкиватель корма OptiDuo DeLaval, на котором установлены две гелевые аккумуляторные батареи Vision-6FM100P-X, соединенные последовательно 2×100 А·ч 24 В. Зарядная станция робота имеет на контактах выход 24 В постоянного тока силой 12 А [5].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Условия проведения

Экспериментальные исследования проводились на:

1. роботизированной ферме (2018 г. постройки) на 500 голов беспривязного содержания с доильно-молочным блоком DeLaval в СХПК имени Кирова Оричевского района Кировской области (работает 2 робота OptiDuo (в каждом проходе по роботу): Serial No, Year or prod. 0 340/2018 и Year or prod. 0 345/2018. Их зарядные станции: Serial No, Year or prod. 0 345/2018 и Serial No, Year or prod. 0 346/2018);
2. роботизированной ферме на 200 голов (2019 г. постройки) беспривязного содержания с доильно-молочным блоком DeLaval в АО племзавод «Соколовка» Зуевского района Кировской области (работает 1 робот OptiDuo: Serial No, Year or prod. 0 334/2018. Его зарядная станция: Serial No, Year or prod. 0 333/2018).

Продолжительность исследований

Продолжительность периода наблюдения принималась одни сутки. В основу исследования был положен хронометражный метод.

Средняя рабочая скорость за один выезд замерялась путем разделения трассы на контрольные участки: по опорным колоннам (метки выполнялись мелом на кормовом проходе у транспондеров с контролем расстояния лазерным дальномером Mileseey X5), на которых робот-подталкиватель корма движется с включенным и с выключенным рабочим органом. Секундомером СОСпр-2б-2-000 «Агат» замерялось время прохода расстояния того или иного участка, затем вычислялась средняя скорость за проход:

$V_{\text{р}}^{\text{ср}}=\frac{l_{\text{зам}}}{t_{\text{зам}}}$,                                                                                                        (1)

где l_зам — контрольное расстояние, проходимое роботом-подталкивателем корма, м; t_зам — время, за которое робот-подталкиватель корма проходит контрольное расстояние, мин.

Кривая восстановления емкости аккумуляторной батареи Vision-6FM100P-X во время заряда (рис. 3) получена следующим образом. Замерялся зарядный ток через амперметр Э30-П, установленный между зарядным модулем и зарядными контактами зарядной станции через выпрямитель тока (рис. 1). Показания напряжения снимались по ручному терминалу робота-подталкивателя корма (рис. 2).

 

Рис. 1. Амперметр Э30-П и выпрямитель тока, установленные на зарядной станции робота-подталкивателя корма.

Fig. 1. The E30-P ampere meter and a rectifier installed on the charging station of the feed pusher robot.

 

Рис. 2. Ручной терминал робота OptiDuo с показаниями технологического процесса.

Fig. 2. The manual terminal of the OptiDuo robot with the process indicators.

  

Рис. 3. Определение времени дополнительной подзарядки аккумуляторных батарей Vision-6FM100P-X для восстановления ее начальной емкости.

Fig. 3. Determination of the time of additional recharging of the Vision-6 FM 100 PX batteries to restore its initial capacity.

 

Параллельно с этим, напряжение на клеммах батарей контролировалось мультиметром Tesla DT832. Затем по известной формуле [7] вычислялись текущие значения:

$С=\frac{Р\cdot t}{U_{\text{c}}\cdot \eta }=\frac{U_{\text{з}}\cdot I_{\text{з}}\cdot t}{U_{\text{c}}\cdot \eta }$,                                                                                       (2)

где U_з — текущее значение напряжения при заряде, В; I_{з —} ток зарядки, I_з = 12 А; t — время зарядки, ч; U_с — напряжение сети, U_с = 24 В; η — отдача по энергии кпд, η = 0,9.

Значение потребляемого тока потребителями принималось по шильдику, установленному на каждом из элетродвигателей и электронных плат потребителя.

Обработка опытных данных производилась в среде программ Компас-3D v.17 и Microsoft Excel.

Обсуждение

Время проезда роботом одного круга от зарядной станции туда и обратно рассчитывается по формуле

$Т=t_{\text{p}}+t_{\text{xx}}$,                                                                                                      (3)

где t_р — время движения робота-подталкивателя корма с включенным рабочим органом, мин,

$t_{\text{р}}=\frac{l_{\text{р}}}{V_{\text{р}}^{\text{ср}}}$,                                                                                                        (4)

где l_р —– длина рабочего хода робота-подталкивателя корма (с включенным рабочим органом), м; $V_{\text{р}}^{\text{ср}}$  — средняя рабочая скорость робота-подталкивателя корма за время проезда одного круга, м/мин; t_хх — время движения холостым ходом робота-подталкивателя корма (с выключенным рабочим органом), мин,

$t_{\text{хх}}=\frac{l_{\text{хх}}}{V_{\text{р}}^{\text{ср}}}$,                                                                                                        (5)

где l_хх — длина холостой ход  робота-подталкивателя, м.

Расход тока аккумуляторной батареи за час работы робота-подталкивателя корма определяется согласно:

${С}_{\text{общ}}={С}_{\text{р.шн}}+C_{\text{р}}+{С}_{\text{р.шн.дис.}}$,                                                                          (6)

где С_р.шн — расход тока аккумуляторной батареи за час работы робота-подталкивателя корма с включенным рабочим органом, А·ч,

${С}_{\text{р.шн}}=\frac{t_{\text{p}}\cdot (I_{\text{дв}}^{}+I_{\text{шн}}^{}+I_{\text{эл}}^{})}{60}$,                                                                               (7)

где I_дв — потребление тока электродвигателями мотор-редукторов ведущих колес, А; I_шн — потребление тока электродвигателем редуктора привода шнека, А; I_эл — потребление тока электроникой блока управления, А; С_р — расход тока аккумуляторной батареи за час работы робота-подталкивателя корма с выключенным рабочим органом, А·ч,

${С}_{\text{р}}=\frac{t_{\text{хх}}\cdot (I_{\text{дв}}^{}+I_{\text{эл}}^{})}{60}$,                                                                                          (8)

С_{р.шн.дис.} — расход тока аккумуляторной батареи за час работы робота-подталкивателя корма с включенным рабочим органом и диспенсере внесения концентратов, А·ч,

${С}_{\text{р.шн.дис.}}=\frac{t_{\text{р}}\cdot (I_{\text{дв}}^{}+I_{\text{шн}}^{}+I_{\text{дис}}^{}+I_{\text{эл}}^{})}{60}$,                                                                 (9)

I_дис — потребление тока электродвигателем диспенсера концентратов, А.

По определенному значению емкости С_общ по выражению (6), используя график восполнения емкости аккумуляторной батарей при заряде (рис. 3), необходимо определить дополнительное время ее заряда:

$t_{\text{зар}}^{\text{доп}}=t_{\text{АКБ}}^{}-t_{\text{зар}}^{}$,                                                                                              (10)

где t_АКБ — время непрерывной зарядки аккумуляторной батареи в сутки (принимается по характеристикам аккумуляторных батарей), мин.

Тогда время одного цикла работы робота-подталкивателя корма составит:

$t_{\text{цикл}}=t_{\text{зар}}^{}+Т$.                                                                                                (11)

Тогда возможное число выездов робота-подталкивателя корма в сутки определится по формуле:

$n_{\text{сут}}=k_{\text{э}}\cdot \frac{1440-t_{\text{зар}}^{\text{доп}}}{t_{\text{цикл}}}$,                                                                                    (12)

где k_э — коэффициент эксплуатации, учитывающий выход из строя транспондеров (несвоевременность выключения рабочего органа), время ожидания (на поворотах при заезде к месту парковки, при возникших препятствиях на трассе), k_э = 0,85–0,95.

Полученное значение числа выездов n_сут в формуле (12) следует округлять до целого в меньшую сторону.

В процессе исследования роботы развивали скорость $V_{\text{р}}^{\text{ср}}$ от 5,2 до 5,8 м/мин.

В таблице 1 представлены потребители тока аккумуляторной батареи робота-подталкивателя корма OptiDuo.

 

Таблица 1. Потребители тока робота-подталкивателя корма OptiDuo

Table 1. Current consumers of the OptiDuo feed pusher robot

№ п/п	Потребитель	Обозначение	Значение, А
1	Электродвигатели мотор-редукторов ведущих колес	IДВ	6
2	Электродвигатель редуктора привода шнека	IШН	15
3	Электроника блока управления	IЭЛ	1,3
4	Электродвигатель диспенсера концентратов	IДИС	3
Итого			24 < Iаккум.бат. = 30

 

На основе таблицы 1 и формул (3)–(12) рассчитано возможное число выездов, представленное в таблице 2.

 

Таблица 2. Число выездов робота n_сут в зависимости от расстояния l_р и l_х, проходимого роботом-подталкивателем корма

Table 2. The number of robot runs nday depending on the distance lр and lх covered by the feed pusher robot

lр, м	lх, м	${\mathit{V}}_{\mathit{\text{р}}}^{\mathit{\text{ср}}}$, м/мин
		4,0	4,5	5,0	5,5	5,9 (заявлена производителем)
100	0-30	10	10	-	-	-
	30-60	9	-	-	-	-
	0-60	-	10	-	-	-
	0-100	-	-	10	-	-
	70 -130	8	-	-	-	-
	0-150	-	-	-	10	-
	150-210	-	-	-	8	-
	0-180	-	-	-	-	10
	100-190	-	-	8	-	8
	180-230	-	-	-	-	-
	190-300	-	-	7	-	-
	60-80	-	9	-	-	-
	80-150	-	8	-	-	-
200	0-30	-	-	8	-	-
	0-60	-	-	-	8	-
	30-130	-	-	7	-	-
	0- 70	6	-	-	-	-
	0- 90	-	7	-	-	-
	0-50	-	-	-	-	9
	70-180	5	-	-	-	-
	60-160	-	-	-	7	-
	50-120	-	-	-	-	8
	90-120	-	6	-	-	-
	130-220	-	-	6	-	-
	120-290	-	5	-	-	-
	120-180	-	-	-	-	7
	160-290	-	-	-	6	-
	180-360	-	-	-	-	6
300	0-60	5*	5	5	-	-
	0-90	-	-	-	6	-
	0-100	-	-	-	-	7
	100-290	-	-	-	-	5
	0-170	-	-	5	-	-
	90-220	-	-	-	5	-
	170-310	-	-	4*	-	-
	220-440	-	-	-	4*	-
	130-200	-	4*	-	-	-
400	0-120	-	-	-	5*	-
	0-150	-	-	-	-	5
	120-130	-	-	-	4*	-
*– активация диспенсера невозможна

 

В таблице 3 представлено сопоставление реального числа выездов в хозяйствах робота-подталкивателя корма OptiDuo и максимально возможное по емкости его аккумуляторных батарей.

 

Таблица 3. Число проходов робота n_сут в условиях рядовой эксплуатации и определенное аналитически

Table 3. The number of robot runs nday in conditions of ordinary operation and determined analytically

Хозяйство	Запрограммированное время старта роботов- подталкивателей	Число выездов nсут
		В условиях рядовой эксплуатации		Максимально возможное по выражению (12)
		текущее	требуемое
СХПК имени Кирова (lр=154м; lхх=60м; $V_{р}^{ср}$= 5,8м/мин)	4-00; 6-30*; 9-00; 11-00; 13-30; 18-00; 21-00; 23-00; 2-00*	7	9-10	9
АО племзавод «Соколовка» (lр=213м; lхх=29,3м; $V_{р}^{ср}$= 5,1 м/мин)	1-00; 3-00; 5-30*; 9-00; 12-00; 16-30; 19-00; 21-00	7	10	7/8**
* — рекомендованное хозяйству по результатам исследования; ** — при условии доведения скорости до паспортной в 5,9 м/мин.

 

Поскольку ферма в СХПК им. Кирова имеет l_р = 154 м, то возможно повысить число выездов на два, причем они хорошо вписываются в цикл работы: между 4-00 и 9-00 часов утра — робот-подталкиватель будет совершать выезд в 6-30 — и между 23-00 и 4-00 — будет совершать выезд в 2-00. Однако, это количество выездов все еще не достигает числа 10.

В условиях рядовой эксплуатации робота-подталкивателя корма OptiDuo в АО племзавод «Соколовка» с l_р = 213 м можно увеличить лишь на один доведением развиваемой им скорости  до паспортной путем обработки пола фермы, придав ему необходимую шероховатость. В этом случае максимальное число выездов в сутки робота-подталкивателя составит 8, что также не достигает числа выездов 10.

Выводы

В результате проведенных исследований получено выражение (12) для определения числа выездов робота-подталкивателя корма nсут. В решительной степени на параметр nсут влияет расстояние lр, когда робот-подталкиватель проезжает с включенным рабочим органом и рабочей скоростью . Не активация дополнительной опции — диспенсера для выдачи концентратов — не дает выигрыша в числе проходов робота. Методику расчета — формулы (2)–(12) — можно применять для определения возможного числа проходов любого робота-подталкивателя корма при определении коэффициента kэ при его рядовой эксплуатации.

Установлено, что в условиях рядовой эксплуатации максимальное число выездов робота-подталкивателя корма с активным рабочим органом составляет n_сут = 7–8, что меньше заявленного производителем. Заявленное производителем число выездов 10 достигается в рядовых условиях эксплуатации при l_р = 100 м. При длине l_р ≤ 300 м в одном проходе следует устанавливать 2 робота-подталкивателя.

В условиях рядовой эксплуатации, ни при каких обстоятельствах, невозможно довести число проходов робота-подталкивателя корма до 10, кроме изменения конструкционных параметров, а именно, повышения емкости аккумуляторных батарей и повышения тока зарядной станции. Не выполнение в полном объеме технического обслуживания, рекомендованного изготовителем, в особенности своевременная замена ведущих колес из-за износа протектора и замена самих аккумуляторных батарей, влечет к снижению n_сут на 1–2 выезда по причине падения развиваемой скорости и быстрой разрядки аккумуляторных батарей.

Дополнительно

Вклад авторов. А.С. Комкин — сбор и анализ литературных источников, проведение эксперимента, обработка экспериментальных данных, подготовка и написание текста статьи; П.А. Савиных — научное руководство и редактирование статьи. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведенным исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикаций.

Additional information

Authors’ contribution. A.S. Komkin — collecting and analyzing literary sources, conducting an experiment, processing experimental data, preparing and writing the text of the article; P.A. Savinykh — scientific guidance and editing of the article. The authors confirm that their authorship meets the international ICMJE criteria (all authors have made a significant contribution to the development of the concept, research and preparation of the article, read and approved the final version before publication).

Competing interests. The authors declare the absence of obvious and potential conflicts of interest related to the conducted research and the publication of this article.

Funding source. The authors state that there is no external funding when conducting research and preparing publications.

About the authors

Anton S. Komkin

Federal Agricultural Research Center of the North-East named N. V. Rudnitsky

Author for correspondence.
Email: akomkin@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0007-3236-422X
SPIN-code: 2192-4928

Associate Professor, Cand. Sci. (Tech.), Senior Scientist of Livestock Mechanization Laboratory

Russian Federation, 166a Lenina street, 610007 Kirov

Peter A. Savinyh

Federal Agricultural Research Center of the North-East named N. V. Rudnitsky

Email: peter.savinyh@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0524-9721
SPIN-code: 5868-9317

 

Professor, Dr. Sci. (Tech.), Chief Scientist, Head of Livestock Mechanization Laboratory

Russian Federation, 166a Lenina street, 610007 Kirov

References

Supplementary files