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挤奶机器的发展可以减轻一些繁琐复杂的手工操作。古代的埃及人曾经试着将管子接到乳导管道里，以加速挤奶，但是直到1830年才出现第一台导管式挤奶机，在这以后，技术的发展层出不穷，人们尝试了许多不同的原理来制造挤奶机器，并设计出了效仿手工挤奶的机器。该设计获得了成功，它主要采用了吮吸原理。1851年，真空应用理念首次引入，之后出现了单室奶杯。直到1905年，双室奶杯的发明，这才具备了现代挤奶机器的雏形。
图片说明： 1892年 Jens Nielsen 设计的挤奶机器（左面） 和1879 Anna Baldwin年 设计的挤奶机器（右面） （节选自 T. Jansson. 挤奶机器的发展。1973）
挤奶机器需要满足什么样的要求呢？开发第一台挤奶机的时候，这个要求是这样定义的：挤奶效率要高，不会造成奶头的损伤，是挤奶工人减轻劳动量的工具。为了满足这些需求，挤奶机器的发展呈现出一个多学科发展的态势，在这个过程当中，生物学家，工程学家以及兽医进行了密切的合作。
挤奶机器对奶头有什么影响呢？挤奶机的挤奶原理和手工操作及小牛吮吸的原理不同。在手工挤奶的过程中，奶是被压出来的，而小牛吮吸的时候，奶主要是压出来的，但是也有一部分是吸出来的。在机器挤奶的时候，奶是由乳房内壁和奶被内套之间的压力差吸出来的。
 图片说明：在手工挤奶的时候，奶是被挤压出来的
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如果一直吮吸奶头的话，里面会积累血液和淋巴。因此，设计挤奶机器的时候，吮吸必须伴随着奶被内套有规律的脉动，一开一关。这样，就像在为奶头按摩，可以防止乳头充血肿胀。
图片说明：吮吸的时候，奶主要是挤压出来的，但是也有一部分是吸出来
挤奶机器的每一个部分都是整个系统必不可少的要素。例如，如果脉动频率，真空度，或者奶管尺寸不很理想的话， 还谈什么创建优化功能的奶杯内套的重要性？然而，如果要想对整个系统有更好的了解，让我们首先来探讨一下不同部件的重要性和设计要求。
图片说明：在机器挤奶的时候，奶是被吸出的。
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挤奶杯组一共有四个奶杯，每个奶杯都有一个奶杯外壳，一条奶杯内套，一条短脉动管，一个集乳器，一条长奶管和一条长脉动管。奶由部，粗奶管和一条的集成短奶管组成。是整个挤奶系统唯一和奶头有直接接触的部件，因此的设计对于理想的牛奶产量和奶头处理都具有至关重要的作用。对比实验显示，对牛奶质量的影响要远大于系统的其他组成部分。的设计可以影响到的因素有：剩奶管是否会滑脱，挤奶的时间，奶头的处理和乳房的健康。设计的时候必须保证奶杯外壳两端的连接处都要不漏气，内套入口和粗奶管要和奶头匹配，避免滑落和挤奶杯组松脱。挤奶必须要迅速，而且要尽可能的彻底，减少奶头的充血肿胀和受伤。
市场上各种各样型号的都有，以满足不同需求。例如，内套入口唇部的直径有18-27毫米不等，粗奶管孔直径有20-28毫米不等。奶杯内套的设计规格之所以有较大的差别，是因为不同奶牛的奶头大小和结构不尽相同。当然，一个牛群内的乳头大小的范围通常比大多数牛群和品种之间的平均差别要大。应该注意的是，如果奶杯内套比较短，乳头下放的粗奶管将没有足够的空间闭合，导致挤奶效率偏低，而如果奶杯内套太大的话，则经常会脱落。
图片说明：奶杯内套的切面图
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由于奶管的设计方式不同，所以制作奶管的原材料也不尽相同。奶管可以用天然橡胶，合成橡胶或者硅橡胶制成。由于会和脂肪接触，天然橡胶的老化也快一些，这样就导致奶管的工作寿命变短。因此，现在通常采用合成橡胶或者合成橡胶和天然橡胶的混合材料来制造奶管。
奶管的设计必须能经受极大的压力，奶管每秒钟就会振动一次，一个月就会振动4000000次，同时它还会被拉长的原来长度的120%。因此，奶管要定期更换，以保证其理想的弹性。
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按道理的话，奶头进入打开的奶杯内套后，由于挤奶机的真空压力，会拉长到挤奶前长度的140-150%。在挤奶开始的最初几秒钟，奶头进一步被吸入到奶管，接下来就不会再动，直到那个特定乳区没有牛奶流出。挤奶快要结束的时候，奶杯内套有时会沿着奶头缓慢上移，这样就会阻止牛奶从乳池到奶头的流动，长期下来的话会影响到牛奶产量，因为对剩奶的效果。事实上，很多因素都会影响到奶头进入的深度。这些因素涉及到奶头，真空，奶杯内套，按奶杯组以及奶杯内套和奶头之间的摩擦。只有当这些条件都配合起来的时候，才会达到最佳的奶头进入深度。在一个脉动周期里由于，奶杯内套的动作导致了挤出牛奶和乳房按摩。脉动周期可以分为四个不同阶段，a, b, c和d.‘
图片说明：脉动循环 a =打开阶段， b =挤奶阶段， c =关闭阶段， d =按摩阶段。
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在a阶段，奶杯内套开始打开，牛奶从奶头流出。在b阶段，即挤奶阶段，牛奶继续往外流。接下来就是c阶段，奶杯的奶杯内套开始关闭，牛奶被阻止从奶头流出。最后一个阶段是d，就是按摩阶段或者说是休息阶段，奶杯内套处于关闭状态。
为了获得理想的挤奶效率，保证奶牛乳房的健康，休息阶段至少应该是整个脉动周期的15%，大约150 ms。奶杯内套壁的运动会受到牛奶流速的影响，高的奶流速度伴随着较短的按摩阶段，长期运作影响乳房健康。最近，由于技术的发展，已经产生了一款名为和谐奶杯内套的设计，采用这套奶管，按摩阶段几乎不会受牛奶流速的影响。当牛奶流速比较慢的时候，无论是挤奶开始还是快要结束，奶杯内套的运动都是很关键的。
闭合的奶杯内套施加的压力可以使泌乳管关闭。为了克服血管中的心脏舒张压，在压差约为50 kPa的情形下专家建议奶杯内套对奶头的压力应该为10 kPa，除了提供真空和压力差异，奶杯内套对于提高按摩的效率也发挥着重要的作用。在较低真空度时，建议采用软一点的奶杯内套，反之就用较硬的。
总的来说，为了保持奶头良好的状态，获得理想的挤奶效果，奶杯内套的尺寸必须要和奶牛相匹配，而且奶杯内套和装备的真空水平要适合。挤奶时奶杯内套要保持适度的张力，内套口要相对软一些。为了保持挤奶的效率，奶杯内套应当在2500头次或者使用6个月之后更换，以先过限的时间为准。有些奶杯内套用化合物做成，工作寿命只有1000-1200 次。
图片说明：随着牛奶流速的变化，奶杯内套壁会产生移动。
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奶杯外壳通常是用不锈钢制造的。在过去的几十年里，市场上出现了用塑料做成的奶杯外壳。它的要求是要符合特殊的奶杯内套设计的形状，在挤奶的时候易于操作，制作材料要耐用，例如，能经得住奶牛的踢碰。为了优化整个挤奶杯组的重量，奶杯的重量也必须要相应优化。
集乳器的主要作用是将四个奶杯上短脉动管，短奶管和相对应的长管连接起来。现在市场上有很多不同的设计，或是制作材料不同，或是内腔的体积不同（50毫升到500毫升不等），或是进气孔和内部的设计不同。集乳器的设计要求是多方面的。高产奶牛的奶流速在不断的提高，这意味着集乳器要处理更大量的牛奶。它的设计必须要避免同一头奶牛不同奶头之间的交叉感染。有一个方法可以实现这一目标，即可以采用分区的集乳器或者单向阀门。集乳器中进空气，借助压力，可以将牛奶从挤奶杯组中转移，如果奶牛产量比较高，流速比较快的话，奶杯组的尺寸和能力都是要考虑的关键因素。
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MC7 Claw
| 和谐集乳器是一个典型的例子，它能够很好的满足上述的这些要求。在这个集乳器里，即使牛奶流速比较高，真空波动也比较低，因为牛奶通过一条中央管道从底部转移到集乳器的顶部。这也就是说集乳器中始终有一部分没有奶的空间，从而保证真空泵额外的缓冲体积。牛奶连续不断的从集乳器里面转移出来，操作非常柔和，不会增加奶中游离脂肪酸（FFA）的含量。
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挤奶杯组共有四个奶杯外壳组成，每个都有一条奶杯内套，奶杯内套都接到集乳器上。它的设计要求就是，作为一个整体，重量要适中，以减少剩奶，窜动，掉杯。提高挤奶杯组的重量可以减少剩奶产生，但是增加了奶杯窜动，掉杯的机率。为了增加挤奶杯组的重量，有些制造商采用提高集乳器重量的方法，有的则通过增加奶杯的重量。理想的情形是将重量加到奶杯上来实现重量平均分配到4个区域。然而在挤奶杯组的组成部件中，长奶管和长脉动管对重量分配的影响最大，因为一旦这些管子的排列不够好的话，重量就会分配不均。
在和谐挤奶杯组的设计理念中，挤奶杯组包括奶杯和集乳器都是比较轻的，这种设计对于挤奶工人来说是非常好的，因为它符合人体工程学原理。与此同时，人们正在进行大量的研究，在保证设备挤奶效率的前提下，优化奶杯内套的功能，同时降低奶杯组的重量。要获得好的挤奶效果，常常会考虑增大短奶管的出口面积，以及提高短奶管的容量。
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挤奶机器的一些设计参数如真空度，脉动比和脉动比率是如何影响挤奶效率的呢？有人已经做过试验，当真空水平超过50 kPa时，挤奶的效率不会提高，如图36所示，最高流速以及剩奶都随着真空水平的提高而提高。由于发生奶头口外部角质化过度症，以及由机器产生的充血肿胀和水肿，所以每一个挤奶系统都需要一个最佳的真空水平，这非常重要。例如，奶管安装较低的装置真空水平约为42 kPa，这相当于奶管安装较高系统50 kPa的真空水平。维持稳定的真空水平对于预防乳腺炎具有最大的作用。因此，循环式的真空波动应该尽量减少，例如在集乳器中放点空气，改善乳杯内套设计以减少滑落，当然还包括在挤奶结束时轻轻地移走奶杯。在从乳房上移走奶杯前，可以使用真空阀门，这对于减少真空波动是非常关键的。
图片说明：真空水平对最高流速（实线）和机器stripping yield（虚线）的影响（节选自 Mein 机器挤奶和泌乳期 Bramley 等, 1992）
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Pulsation rate (c/min) |
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| Pulsation ratio (%) |
40 |
80 |
120 |
160 |
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50 |
100 |
108 |
127 |
137 |
|
67 |
123 |
136 |
142 |
141 |
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75 |
134 |
142 |
141 |
140 |
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脉动频率和脉动比率对牛奶最高流速的影响（节选自 Mein 机器挤奶和哺乳期 Bramley 等, 1992 ）
在真空水平为51k Pa时，牛奶流速的对比试验。结果和脉动频率为40周期/分钟，脉动比率为50%时的流速做比较，以百分数表示，试验时奶杯内套被塞住。超过一半的奶杯内套的每个脉动周期内的50%打开。
脉动频率和脉动比率是影响挤奶效果如牛奶流速和挤奶时间的两个重要参数（图4）。当脉动比率不变的时候，脉动速度增加（一直到160周期/分钟），最高流速也增加。作为比较，已经有报道说，小牛在吮吸奶头的时候，脉动频率为120周期/分钟。如果脉动率提高到80%，最高流速就会下降，可能是由于对奶头压缩力不足或者持续的时间不够。有建议说，为了达到高效的脉动，奶杯内套应该关闭至少15%的脉动周期，以防止挤奶真空引起的充血肿胀。根据实验可以得出结论，在脉动频率为60周期/分钟时的最佳脉动率为60:40或70:30。
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从人体工程学的角度来讲，挤奶机器和奶厅的设计要求是比较高的，因为在农业领域中，牛奶业是最辛苦的领域之一。牧场主的关节有问题的发生率较高挤奶工人的肘，后腰，手，关节，屁股，膝盖等处的小毛病更是屡见不鲜。
从管道式挤奶机代替桶式挤奶机开始，农场的劳动量发生了巨大的改观。从70年代开始，自动脱杯引入农场，从那开始，发展就没有停止过，并且出现了许多新的产品。和谐挤奶杯组不仅轻便，而且易于操作，和传统的挤奶设备相比，和谐挤奶杯组的重量要轻40%。挤奶工人的劳动量减轻了，挤奶时间也减少了。利拉伐传送轨是栓系式发展的下一步，它是一个轨道系统，可以从牛奶到整个牛棚运行。
瑞典农场主健康协会的研究表明，利拉伐传送轨的使用大大缓解了前面所述的健康问题。
图片说明：使用EasyLine挤奶降低了牧场主的关节问题
在奶厅，使用调整臂的自动脱杯装置已经司空见惯。现在，有的奶厅甚至还装备了一种可以移动的地板(Comfloor)，以适应不同身高的挤奶工人。
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