原奶质量管控：挤奶系统基本常识(2)                                            GEA奶牛技术移动服务平台

　　原标题：脉动器为什么是挤奶系统核心部件之一? 其工作原理又是什么?

　　张廷青 博士 李 静 (中国农业大学动物科技学院三年级学生)

　　为使同道们较好理解“脉动器为什么是挤奶系统核心部件之一?其工作原理又是什么?”我们首先需要再次温习一下奶牛乳头解剖构造及其生理功能，然后再讨论脉动器有关细节。

　　为什么要理解奶牛乳头解剖构造及其生理功能?

　　乳头是连接奶牛乳房和挤奶机的重要通道，也是牛奶流出的必经之地，同时亦是乳房炎致病菌进入的门户。乳房炎的发生绝大部分是由致病菌经乳头孔侵入乳房所致(致病菌中只有支原体可经血源途径感染乳房)，由外伤和其它原因引起的乳房炎很少。因此，乳头解剖构造和健康状况的变化直接关系着挤奶效率和乳房炎发病率的高低。

　　乳头乳池通过乳池环状摺叠与乳腺乳池相连。这些摺叠有时会堵塞牛奶流出的通路，尤其是在挤奶即将结束奶杯上爬至乳头基部时最易发生(图1)。

　　由于乳头组织富含大量神经和毛细血管，所以极其敏感。如果挤奶系统功能欠佳，就会影响挤奶过程而致乳头组织有所变化，常见状况就是脱杯后发见乳头肿胀(图2)或颜色改变(图3)。

图1. 乳头结构示意图。

图2. 脱杯后乳头呈现肿胀。

图3. 脱杯后乳头皮肤颜色呈紫色。

　　对大多数奶牛而言，乳头管长度在8毫米到15毫米之间;当开启时，其有效直径是2毫米(误差范围在0.5毫米之间)。乳头括约肌包裹乳头孔，其生理功能是在挤奶间隔期间(或犊牛吸吮哺乳间隔期间)使乳头管紧密闭合，从而阻止漏奶和和防止细菌侵入;乳头管在挤奶结束后(或犊牛停止吸吮后)1～2小时方可完全闭合。

　　角蛋白是附衬在乳头管内部的一层蜡状物质，其可封塞乳头管，就像是两块涂了黄油的面包片粘合在一起那样。这些角蛋白层还能机械性地诱捕入侵细菌，从而阻止它们向乳头乳池和乳腺乳池上行迁移。多达40%角蛋白细胞和被诱捕细菌在日常挤奶过程中被清除，因而保障了乳头管内的细菌数量始终维持在较低水平(图4)。

图4. 角蛋白位置及其重要生理功能。

　　理解了以上所述，就会自然意识到：维持角蛋白分泌量和清除量动态平衡是奶牛机体防御细菌侵入乳房内部至关重要的机理。脉动器系挤奶系统维护乳头末端完整和乳头组织良好健康状况并保证顺利高速完成挤净奶功能方面不可或缺的重要部件之一，我们将在本文下述部分予以阐明。

　　挤奶系统挤奶期(即脉动器B相)的特点是什么?

　　在人工挤奶时，乳头乳池内的压力迫使乳头管开放。而在挤奶系统挤奶期(1/2脉动器A相+脉动器B相+1/2脉动器C相：我们随后解释什么是A相、B相和C相)，当乳头进入奶杯时，便会被真空吸住。乳头壁内外的压力差促使乳头伸展，并且肿胀得像气球一样。肿胀的乳头占据着奶衬内室(与奶管连接)，并且继续伸长。乳头壁的伸展拉扯着乳头管开放，从而使牛奶可以流出。乳头管直径和真空水平都能影响奶流速度(图5)。

　　在犊牛吸吮母乳时，两种机制发挥协同作用，乳头内有压强，乳头末端有真空压。不过，当犊牛学会使用人工乳头(例如硬橡胶乳头)时，它们只会吸吮(即人工乳头内无压强存在)。但是，挤奶系统挤奶期(即1/2A相+B相+1/2C相)对乳头末端产生的真空压也有不利影响。众所周知，血液和淋巴液，也属于细胞外液，在乳头组织内循环流动。发生在乳头末端的真空压会减慢血液和淋巴液回流速度，从而使乳头壁出现肿胀发红，乳头管口径缩小，奶流速度相应降低。这种血液的聚集称为充血，而淋巴液的聚集则称为水肿。即使在最佳挤奶状况下也会出现轻微充血和水肿。欠佳的挤奶状况会导致乳头过度充血和水肿，使乳头在挤完奶后呈现肿胀、坚硬和发红(图6)。

图5. 在挤奶系统挤奶期(1/2A相+B相+1/2C相)，牛奶流出。

图6. 乳头肿胀会使奶流速度降低。

　　挤奶系统休息期(也称按摩期，即脉动器D相)的特点是什么?

　　只有保证乳头末端血液和淋巴液正常循环才能消除挤奶期乳头出现的充血和水肿，这即是挤奶系统休息期的主要功能;休息期也称按摩期(脉动器D相，我们随后解释什么是D相)。在挤奶系统休息期，由于脉动室俗称奶衬外室(指奶衬外壁和奶杯外壳内壁之间的空间)内几无真空，大气压力使奶衬内壁向乳头末端部位推挤，这种推挤产生的机械力迫使乳头管关闭，奶流停止，并且使聚集的血液和淋巴液离开乳头末端返回乳腺，故这一阶段也称按摩期(图7和图8)。目前所有的挤奶系统均通过脉动器功能来实现挤奶期和按摩期周而复始、交互快速转换，藉以完成高速挤奶。

图7. 挤奶系统按摩期使聚集的血液和淋巴液离开乳头末端返回乳腺。

图8. 在挤奶系统按摩期(脉动器D相)，乳头末端血液和淋巴液循环得到改善。

　　脉动器工作机理是什么?

　　同道们需要再次温习一下什么是脉动室(奶衬外室)，然后方可透彻理解脉动器工作原理。简单说来，脉动室是指橡胶奶衬外壁与奶杯外壳内壁(塑料材质或不锈钢材质)之间的那部分空间。脉动室中周而复始不同水平的真空压变化使奶衬发生规律性扩张和推挤活动，使挤奶系统交互执行挤奶和按摩功能;控制脉动室真空压变化的部件就是脉动器。其工作原理如下(图9)：

　　1.挤奶系统挤奶期

　　本期初始，脉动器将脉动室和脉动真空管道开通，使脉动室真空压升高;当奶衬内室和脉动室两边的真空压相近时，奶衬将会开张使牛奶流出。

　　2. 挤奶系统休息期(按摩期)

　　本期初始，脉动器使大气空气进入脉动室。当脉动室中大气空气的压强超过奶衬内室的空气压强(也就是奶衬内室的真空压水平)时，乳头下方的奶衬开始闭合发挥按摩作用。

　　图9. 脉动器工作原理：注意图右侧脉动器柱塞完全封闭大气空气进入，脉动室与真空管道联通，脉动室真空压升高，最终导致牛奶流出;但图左侧脉动器柱塞完全封闭真空管道，开放大气空气进入，脉动室大气空气压强超过奶衬内室真空压水平，使奶衬内壁朝乳头末端方向推挤产生按摩功能。

　　反映脉动器特点的两项数值各是什么?

　　1.脉动频率

　　脉动频率是指一分钟内脉动周期的次数。当脉动频率为每分钟60次脉动周期时，奶衬每秒都要开启和闭合。对泌乳牛使用脉动频率从每分钟45到70次脉动周期不等，但每分钟60次脉动周期是最常见的。泌乳动物种类不同，推荐使用的脉动频率也不同：山羊的脉动频率应为每分钟90次脉动周期，而绵羊则应为每分钟120次脉动周期。

　　2.脉动比率

　　脉动比率是指在每次脉动周期中各期(期也称相)所占时间的比例;脉动比率分为：A期(A相)、B期(B相)、C期(C相)和D期(D相)，参见图10。通常：A期+B期=挤奶阶段;C期+D期=休息阶段(按摩阶段)。60%的比率经常称作60:40，40是指休息阶段所占一个脉动周期时间的比率。脉动比率从50%(50:50)到70%(70:30)不等。最常见的比率是60%即60:40(挤奶阶段占60%的脉动周期时间，而休息阶段占40%的脉动周期时间)。

图10. 脉动器的A相、B相、C相和D相

　　脉动比率较高时，奶流速度上升，参见表1。然而，如果休息阶段过短，那就没有足够时间来缓解乳头充血和水肿，从而有可能损伤乳头而致其抗感染能力降低。

　　如果采用65%或更高的脉动比率，那么对脉动器的常规检查和维护就格外重要。此外，还应确保优异挤奶操作流程到位和自动脱杯设定合理，保证乳头套杯前充分被刺激和挤奶末期及时脱杯，藉以避免过挤现象。

　　表1. 脉动比率对奶流速度的影响

　　脉动器有哪几种类型?

　　1.气动脉动器

　　顾名思义，气动脉动器无电子自动控制功能，其在小型牧场仍继续使用。由于气动脉动器含有许多移动元件，所以需要更频繁的维修工作。与电磁脉动器相比，它不够精确和可靠，属于被淘汰产品，故在此不赘述(图11)。

图11. 气动脉动器

　　2.电磁脉动器

　　电磁脉动器现时很常见，其轮复发出电子脉冲信号输送电流至电磁铁，从而规律性激活活塞/膜片开启或关闭真空。目前有三种类型的电磁脉动器在使用。旧式电磁脉动器系统常需装置机械控制器来运行所有单个的脉动器，眼下这些过时的系统大多数已被新型电子脉动器系统代替。新型电子脉动器系统有两种类型，效果均很好。其一为中央控制器电子脉动器系统，其中央控制器以相同方式发出脉冲电子信号来运行每个脉动器(图12)。其二为独立电子脉动器系统，即每个脉动器内部都设有控制器来运行本身的脉动周期功能(图13)。由于这两种新型脉动器系统的信号均以电子形式产生，所以在大多数情况下可以很容易调整脉动频率和比率。

图12. 中央控制器电子脉动器系统

图13. 独立电子脉动器系统

　　什么是同步脉动器和异步脉动器(图14)?

　　同步脉动器使四个奶衬一起开放和闭合，脉动周期是一致的，挤出的牛奶从四个乳区同时流入集乳器中;其结构亦相对简单，同步脉动器到集乳器只有一根脉动管连接。而异步脉动器则有两根脉动管连接，交替使两个奶衬开放而其余两个关闭，挤出的牛奶每次只能从两个乳区流入集乳器中，这样可避免挤出的牛奶从小型集乳器溢出。目前异步脉动器似乎更受制造商和奶牛场的青睐。

　　异步脉动可从一侧两个乳区到另一侧两个乳区，也可从前面两个乳区到后面两个乳区。由于后面两个乳区产奶较多，为确保高速同时挤净四个乳区，现在对前后异步脉动器脉动比率的设置往往是：后面两个乳区的比率设为60:40，前面两个乳区的比率可以设为55:45。务必注意将异步脉动器的脉动管路正确连接，否则，连接错误就会导致前面两个乳区脉动比率过高而造成过挤现象。在使用异步脉动器时，为避免两个奶衬闭合时正好另外两个奶衬开启，不建议对所有乳区均使用50%脉动比率。“非谐”系指异步脉动器的两个脉动器之间脉动比率的差异，其值以百分率表示。举例解释：假如其中一个脉动器的脉动比率为60:40，另一个为62:38，则“非谐”值为2%，一般要求不可超过5%。

图14. 同步脉动器(上)和异步脉动器(下)

　　如何检测脉动器?

　　即使最好的脉动器有时也会出问题，所以每半年左右应检查一次脉动器。应使用专业脉动检测仪，其可以精确测试出每个脉动室中真空压的变化，并打印出每个脉动器的钟型曲线图和评估专用报告(图15)。

图15. 使用专业脉动仪检测脉动器

　　通常检测脉动器的脉动频率、脉动比率、脉动室真空压、非谐值等等，参见表2。

　　表2. 脉动器各项特性的标准值和推荐值

　　表2中并没有列出A相和C相的标准值。即使将来需要更深入的研究来证实A相和C相目前的推荐值是正确的，但当前至少仍然可以说A相和C相对挤奶持续时间和乳头状况均有影响。当然，脉动管长短和口径大小、脉动室容积以及奶衬两侧真空压水平都会影响A相和C相时长。另外，同步脉动器的A相和C相持续时间一般也会较长些。若平日不注意维护脉动器，A相和C相持续时间亦会延长。现在业已了解：如果真正理解了脉动器的工作原理，那么就能推断出调整脉动器脉动频率和比率均不可影响A相和C相的时长。

　　任何奶牛场装置的脉动器，其特性值均应与表2 中的值相对应。这些标准是国际标准化组织(ISO=International Standards Organization)和美国农业工程学会(ASAE=American Society of Agricultural Engineers)所采用的官方值，这些推荐值被广泛认可为脉动器的理想值。检测脉动器时，如果其各项特性处于推荐值范围之内，那么这个脉动器一定运行不错。不过，如果该脉动器各项特性符合标准值但不符合推荐值，那么这个脉动器也可能运行良好。一些生产商有时会推荐与表2中相异的数值。如果检测结果与生产商推荐的数值不同，那说明脉动器可能需要进行维修。此外，检测气动脉动器将会发见更难满足推荐值要求。总而言之，检测一个脉动器如发现其某些特性不符合标准值，那就应该立刻进行修复或更换。这儿要特别提醒的是：即使脉动器功能完美无缺，也不一定就能实现对乳头末端的充足按摩。如欲对乳头末端实现充足按摩，还取决于奶衬质量和乳头性状。奶衬必须能够包裹乳头实施按摩;而乳头则必须大小适中，过长或过短效果都不会太好。

　　如何分析脉动器检测报告?

　　每个脉动器检测完毕后总会生成一个钟型曲线图和其特性数值，我们以下举几个实际例子来说明如何分析脉动器检测报告。

　　实例1(图16)：

　　尽管脉动器A和脉动器B的脉动频率和脉动比率完全一致，但如果仔细分析两者的A相、B相、C相和D相，就会明显发见脉动器B的B相值和D相值过低。据此，初步认为脉动器A基本正常，而脉动器B则需要修复或更换。

图16. 脉动器A检测结果与脉动器B检测结果有什么不同?

　　实例2(图17)：

　　B相值太低，A相值太高(真空开启和升高过程太慢)，结果将显著造成挤奶持续时间较长;这是缘于脉动器柱塞顶部橡胶元件破损所致。

图17. 分析脉动器C检测结果能发现什么问题?

　　实例3(图18)：

　　脉动器D和E的数值来自同一个奶牛场，尽管脉动器D和脉动器E的脉动频率和脉动比率完全一致，但如果仔细分析两者的A相、B相、C相和D相，就会明显发见脉动器E的B相值和D相值过低，而A相值和C相值过高，这并不是由于电子元件损坏造成的，而是缘于脉动管堵塞所致。

图18. 脉动器D检测结果与脉动器E检测结果有什么不同?

　　实例4(图19)：

　　脉动器F系电子异步脉动器。总体来说，两侧的功能均不错，但非谐值多少有些偏高。此外，右侧A相值和C相值两者均高于左侧，揭示平日维护保养工作较差。

　　图19. 如何评价左右两侧的脉动器?

　　自动分析脉动器检测结果(图20)

　　新型脉动检测仪均可自动分析脉动器检测结果，这既提高了工作效率，也减少了人工分析的误差和不客观。

图20. 自动分析脉动器检测结果：绿色表示通过，红色说明有问题。

　　脉动器最容易什么地方出问题?

　　图21示脉动器最易出问题的地方。此外，脉动器电子控制阀接触不良，或柱塞失去磁性等等也会造成脉动器功能异常。图22示国内多家奶牛场挤奶厅现场发见的短脉动管破裂。

图21. 脉动器最易发生障碍处。

图22. 国内多家奶牛场现场发见的短脉动管破裂。

　　就本章要点而言，大家只要记住：脉动器是挤奶系统重要部件之一;其主要功能是保护乳头末端在挤奶过程中不受损伤;应定期检测和维护脉动器，并使其各项特性符合要求。我们下一章讨论“集乳器工作原理是什么?”。

　　结束本章前，发达国家脉动器专家告诉我，目前最新研究证实：C相应设为40～80毫微秒;不应只对乳头末端实施按摩，需要奶衬瞬间包裹乳头进行整体按摩;避免传统按摩对乳头末端挤压而致粘附在乳头孔的细菌被推入乳头乳池。该领域资深领军者认为，现时广泛应用的脉动器也许是某些管理良好的奶牛场乳房炎发病率仍高居不下的潜在罪凶。因此，需要研发新一代脉动器。