ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ
Отмечена возможность повышения продуктивности семян путем воздействия на них электромагнитного поля. Рассмотрены теоретические и практические предпосылки создания экспериментальной лабораторной установки для предпосевной обработки семян низкочастотным электромагнитным полем и достижения магнитобиологического эффекта. (Цель исследования) Изучить влияние низкочастотного электромагнитного поля на состав и свойства семян зерновых культур. (Материалы и методы) Применялись стандартные излучатели с вариативностью магнитной индукции 3-75 миллитесла, частотой излучения 1-100 Герц, обеспечивающие требуемые параметры воздействия на партию семян. (Результаты и обсуждение) Исследовали влияние магнитного воздействия на всхожесть, энергию прорастания, физико-химические свойства семян при варьировании параметров низкочастотного электромагнитного поля. Проведен анализ зависимости качества воздействия от параметров работы установки и массы семян различных зерновых культур от 10 до 500 г. На этой основе выбраны режимы и создана рабочая программа облучения, обеспечивающая высокую эффективность воздействия на показатели всхожести, прорастания и развития семян. (Выводы) Изучено влияние низкочастотного электромагнитного поля на состав и свойства зерна. Разработана экспериментальная лабораторная установка с источниками низкочастотного электромагнитного поля, обоснованы режимы излучения. Магнитобиологический эффект предпосевной обработки промышленной партии зависит от вида и сорта культуры, активации в клетке биологического комплекса, инициирующего развитие проростка, качества и влажности семян, наличия на поверхности микроорганизмов, в том числе патогенных, источников и энергетических параметров облучения. Определены параметры низкочастотного электромагнитного поля: магнитная индукция от 3 до 75 миллитесла, частота 10-16 Герц, масса семян от 10 до 500 граммов. Эти параметры будут использованы при создании промышленной установки для подготовки семенного материала и улучшения его посевных свойств.
Рассмотрены вопросы модернизации сельскохозяйственного сектора для повышения его эффективности и конкурентоспособности на основе внедрения цифровых технологий. Приведен анализ методов и программных средств для подбора технологий и технических средств. (Цель исследования) Разработать программные модули для управления производством продукции растениеводства путем выбора агротехнологий и рационального использования машинно-тракторного парка с учетом агроклиматических и производственных условий хозяйства. (Материалы и методы) Для разработки программных компонент web-комплекса по сопровождению годового планирования работ при возделывании зерновых культур использовался метод, основанный на оценке природно-климатических и производственных условий. (Результаты и обсуждение) Обоснована целесообразность разработки программных компонент web-ориентированного программного комплекса путем выбора агротехнологий и вариантов рационального использования технических средств. Разработаны структурная схема программного комплекса в виде web-приложения, а также программные модули «Подбор технологий» и «Подбор технических средств», имеющие общую базу данных и объединенный интерфейс. Тестирование работы программных модулей по подбору технологий проведено в 2022 году на примере северо-лесостепной зоны Новосибирской области. Рассматривался вариант технологий возделывания пшеницы с нормальным уровнем интенсификации для четырех рабочих участков с разными предшественниками. (Выводы) Разработанные программные компоненты в дальнейшем войдут в программный комплекс в виде web-приложения при сопровождении машинных агротехнологий и могут использоваться в качестве системы поддержки принятия рациональных управленческих решений. Программный комплекс позволит автоматизировать процесс подбора технологий, формировать годовой план работ, рассчитывать экономические показатели.
Отметили сложности функционирования многопараметрических систем вследствие разной природы связей их звеньев. Рассмотрен частный случай биотехнологической системы «оператор-машина-животное», реализуемой в операциях машинного доения. Она включает в себя три подсистемы: две имеют биологическую природу и являются вероятностными, а доильная установка – звено неживой природы следует рассматривать как детерминированную техническую подсистему. (Цель исследования) Обосновать концептуальный подход к функционированию биотехнической системы «оператор-машина-животное» с учетом закономерностей взаимодействия подсистем. (Материалы и методы) Изучили условия функционирования биотехнических систем, которые носят случайный характер (в вероятностно-статистическом смысле). Установили, что факторов, влияющих на процесс функционирования таких систем, значительно больше, чем на «человеко-машинную» систему. Биотехническая система в целом остается стохастической, а алгоритмы ее управления носят вероятностный характер. Исследования проводили путем оценки результатов, полученных при статистической обработке экспериментальной информации, применения методов и методик математического моделирования технологических процессов, изучения основных направлений создания интеллектуальных цифровых технологий. (Результаты и обсуждение) Применение концепции адаптивного управления обеспечивает гарантированное достижение конечных целей с высокой вероятностью. Разработали модель функционирования системы «оператор-машина-животное». Обоснование эффективности взаимодействия подсистем «машина» и «животное» выполнено на примере аппарата линейного доения DeLaval™ DelPro MU480. Разработали структурную схему системы управления «оператор-машина». Провели оценку эффективности оператора машинного доения. Описали математическую модель ошибок, допускаемых оператором. Предложили критерии, характеризующие эксплуатационную надежность системы «оператор-машина». (Выводы) Границы эффективности многосвязной биотехнической системы определяются зоной адаптационного максимума. Представлена математическая модель, описывающая производительность оператора машинного доения. Профессиональная устойчивость оператора как адаптивного, стохастического звена зависит от индивидуальных особенностей и условий труда, которые целесообразно оценивать статистически. В качестве перспективного направления исследований указана адаптационная концепция. Инженерные решения в отношении процесса доения коров должны базироваться на практических знаниях этологии животных, формализованных в виде логико-лингвистических моделей.
Поставили проблему о необходимости уточнения научной терминологии для обозначения вытеснения человека из технической системы: таких понятий, как «механизация», «автоматизация», «роботизация», «цифровизация», которые используются в научной литературе без четкого установления их сущности и различий. (Цель исследования) Уточнить и систематизировать термины, используемые для описания вытеснения человека из технических систем сельскохозяйственного назначения. (Материалы и методы) Применили теорию решения изобретательских задач (ТРИЗ), теорию принятия решений, системный метод. (Результаты и обсуждение) Уточнили значения понятий механизации, автоматизации, роботизации, цифровизации. Разработали их классические (аристотелевские) определения. Систематизировали широкий круг понятий: механизация, автоматизация, роботизация, интеллектуализация, цифровизация, киберфизическая система, точное сельское хозяйство, цифровое сельское хозяйство, умное (интеллектуальное) сельское хозяйство. Сравнили полученные результаты с подходом Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН. (Выводы) Исключили из понятия механизации ведение сельского хозяйства на основе ручных средств труда и тягловой силы животных (в отличие от подхода ФАО). Установили, что роботизация требует интеллектуализации, а автоматизация – нет. Показали, что цифровизация является средством реализации автоматизации, роботизации, интеллектуализации, оптимизации работы технических систем.
В рамках осуществления проекта по разработке роботизированного кормораздатчика первоначальной задачей оказывается определение его габаритных параметров, которые напрямую зависят от объема кормораздатчика. (Цель исследования) Промоделировать работу роботизированного кормораздатчика для определения оптимального объема, при котором обеспечивается универсальность его применения в животноводческих помещениях на фермах крупного рогатого скота с различной численностью животных при разной кратности кормления. (Материалы и методы) Поставленную задачу решали путем вычисления времени, затрачиваемого роботизированным кормораздатчиком на кормление животных, которое не должно превышать предельных величин, установленных зоотехническими нормами. Для этого использовали основанную на теории графов методику, в которой учитывается вероятностный характер составляющих баланса времени раздачи кормосмесей роботизированным кормораздатчиком. Блок вычислений выполнили в программе MS Excel. (Результаты и обсуждение) Описали условия для моделирования. Рассмотрели два варианта работы роботизированных кормораздатчиков, при которых один робот обслуживает два коровника либо для каждого коровника используется отдельный кормораздатчик. (Выводы) Определили, что наиболее предпочтительный второй вариант с отдельным роботизированным кормораздатчиком. Доказали, что в этом случае в результате сокращения протяженности переездов производительность роботизированного кормораздатчика повышается на 27,9-36,2 процента для рассмотренных условий, а также исключается необходимость установки автоматических ворот и возведения утепленного тамбура для перемещения робота между коровниками, упрощается задача по составлению программ кормления. Выявили, что для кормления животных в коровниках с габаритами 111,9 на 26,6 метра и меньших размеров, вмещающих до 340 голов, при кратности кормления 4-8 раз в сутки достаточно использовать роботизированный кормораздатчик объемом 2 кубических метра.
Отмечено отсутствие машин и оборудования, способных качественно и с высокой производительностью очищать высокозагрязненный материал сои. Большинство применяемых зерноочистительных машин создавались для переработки материала, отвечающего нормам ГОСТ 17109-88 по содержанию сорной и масличной примеси соответственно 2 и 6 процентов. Фактически типовой состав отходов послеуборочной обработки сои может содержать от 20 до 60 процентов отходов, непригодных для извлечения сырого протеина, что делает данный материал полностью неразделимым. (Цель исследования) Определение оптимальной эффективности сепарирования гетерогенных сыпучих смесей в вертикально восходящем воздушном канале. (Материалы и методы) Использовались ротационный порционный классификатор РПК 30 и макетный образец прецизионного воздушного классификатора ПВК с колонковыми акселераторами воздушного потока. Определены зависимость полноты выделения примеси и эффективность процесса сепарации соевого отхода в пневмоклассификаторе нового типа от толщины акселераторов и высоты над обрабатываемым материалом. (Результаты и обсуждение) Установлено, что эффективность процесса сепарации высокозасоренного соевого материала в стандартном пневмоканале не превышала 20 процентов, а на прецизионном воздушном классификаторе степень разделения составила около 45 процентов. (Выводы) Типовые машины, в которых используется воздушный поток, не справляются с сильно засоренным материалом. Выравнивание скорости воздушного потока внутри слоя обрабатываемого материала и над ним при установке колонковых акселераторов воздушного потока способствует лучшей сепарации высокозагрязненного материала. Исследование указывает на то, что обрабатываемый материал может быть разделен воздушным потоком, но при условии использования специализированного пневмосепарирующего канала. За счет соотношения высоты колонковых акселераторов и высоты над материалом скорость воздушного потока внутри разделяемого слоя и над ним выравнивается.
Отметили преимущества сжигания растительных отходов в топливных установках: отсутствие конденсата, минимум золы, постоянная температура теплоносителя, эффективный теплообмен. Для усовершенствования таких установок, интенсификации режима сушки необходима информация об особенностях тепло- и массопереноса при высокотемпературной сушке влажных частиц. Поскольку изучать процесс сушки в реальной топке проблематично, исследования проводились на изотермической (холодной) модели в лабораторных условиях, приближенных к реальному процессу. (Цель исследования) Оценить эффективность предлагаемых аэродинамических моделей сушки растительных отходов и проверить адекватность математической модели сушки частиц во взвешенном слое. (Материалы и методы) На двух моделях взвешенного слоя с отличающимися различной аэродинамикой вихревых течений (факельной и циклонной) в камерах сгорания изучили кинетику сушки двух узких фракций лузги подсолнечника с эквивалентным диаметром частиц 0,25 и 1,5 миллиметров исходной влажностью 15 и 18 процентов. В разные моменты времени определяли температуру и влажность частиц лузги, а также температуру и относительную влажность выходящего сушильного агента. Процесс сушки происходил в периодическом режиме. (Результаты и обсуждение) При начальной влажности частиц лузги подсолнечника 15 процентов наблюдались два периода с падающей скоростью сушки, а при влажности 18 процентов таких периодов было три, первый из них был с постоянной скоростью. Отметили, что при исходной влажности лузги 15 процентов на кривых сушки практически отсутствует линейный участок. Это свидетельствует о протекании процесса во время снижения скорости сушки. (Выводы) Выявили наиболее эффективный по интенсивности режим сушки. Установили, что факельно-вихревой и циклонно-вихревой аэродинамический режимы обеспечивают сушку частиц в моделях, причем более интенсивно при циклонно-вихревом режиме. При анализе возможности перехода от модели к реальному процессу необходимо базироваться на сравнении оценок вероятного процесса с допустимыми условиями практической эксплуатации, что и показала модель сушки частиц во взвешенном слое.
Отметили тенденцию перехода в мировом сельском хозяйстве на более экономичные и экологичные электромобильные средства в связи с ростом цен на топлива и горюче-смазочные материалы. Широкое применение электромобильных средств для выполнения сельскохозяйственных работ ограничивается такими факторами, как производительность, стоимость, срок службы и безопасность тяговых батарей. Система управления температурным режимом батареи играет ключевую роль в контроле продолжительности ресурса батареи. (Цель исследования) Проанализировать современные системы охлаждения электрических аккумуляторов , определить тип охлаждающей жидкости, способной поддерживать оптимальную температуру тяговой батареи в любых климатических условиях. (Материалы и методы) Рассмотрены системы и методы охлаждения, используемые в управления температурным режимом батареи. Представлен теоретический анализ эффективности терморегулирования тяговых батарей, т.е. возможности повышения производительности аккумулятора за счет поддержания температуры батареи на требуемом уровне. Для сравнения выбраны несколько брендов электромобилей мировых автопроизводителей. (Результаты и обсуждение) Наиболее важным требованием к эффективной системе охлаждения является быстрый отвод тепла, когда батарея нагрета и при запуске система охлаждения должна работать медленно, чтобы не снижать эффективность электромобиля. На основании этого критерия представлены статистические данные режимов и условий работы тяговых батарей и их оптимальный диапазон рабочих температур. Выполнены расчеты для трех типов охлаждающих жидкостей: аммиака, этиленгликоля и фреона R134a. (Выводы) Хотя выходная температура этиленгликоля составляет 22,2 градуса Цельсия, выше на 3,3 градуса, чем у аммиака, и на 0,5 градуса выше, чем у тетрафторэтана, этот хладагент подходит для использования в медных трубках.
Показали, что обработка почвы многофункциональным комбинированным агрегатом с импульсным воздействием ударной волны является актуальным и перспективным направлением в общей системе почвообработки. (Цель исследования) Разработка многофункционального комбинированного агрегата для обработки почвы импульсным воздействием ударной волны, повышающего производительность, улучшающего качество обработки почвы и экологию окружающей среды. (Материалы и методы) Агрегат состоит из основной рамы, двух боковых, складывающихся секций и центральной, которая выполнена со сницей, опорными и транспортными колесами, а также рамы в виде полого вала, соединенного с баллоном сжатого воздуха. Передние рамы каждой секции снабжены жестко закрепленными рабочими органами в виде культиваторных лап со встроенными внутри пневмотрубками с выходными отверстиями на концах крыльев лап с радиусом действия сжатого воздуха 5-10 сантиметров. (Результаты и обсуждение) Установили соотношение глубины поверхностной обработки почвы культиваторной лапой к глубине внутрипочвенной обработки импульсными ударами сжатого воздуха, равное 1:2. Состав почвообрабатывающих устройств замыкают дисковые фрезы диаметром 25-30 сантиметров и бороны на глубину обработки 5-7 сантиметров. (Выводы) Усовершенствованная таким образом конструкция многофункционального комбинированного агрегата позволяет проводить одновременно несколько операций: культивацию с уничтожением сорной растительности, рыхление почвы воздушным потоком высокого давления, фрезерование и измельчение поверхности.
Отметили, что оснащение сельскохозяйственных мобильных машин датчиками и электронным управлением позволяет удаленно получать в режиме реального времени информацию о техническом состоянии систем двигателя в процессе эксплуатации машины. (Цель исследования) Разработать методику определения многопараметровой характеристики удельного эффективного расхода топлива на примере двигателя Deutz BF 6M 2012 C трактора Terrion ATM 4200. (Материалы и методы) Проведен анализ данных системы электронного управления. С применением подключенного логического анализатора Logic Analyzer 8 получена многопараметровая характеристика двигателя по удельному расходу топлива с CAN-шины в процессе эксплуатации машины. Разработана методика статистической обработки данных с помощью программы Statistica 10. Составлены уравнения регрессии зависимости расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала и крутящего момента двигателя. Значения коэффициента детерминации и критерия Фишера подтвердили статистическую значимость связи расхода топлива во всей области рабочих режимов с выбранными параметрами. (Результаты и обсуждение) Данные многопараметровой характеристики, отражающей зависимость расхода топлива от частоты и момента вращения двигателя, совпадают с данными завода-производителя, что дополнительно подтверждает истинность полученных регрессионных уравнений. (Выводы) Предлагаемая последовательность действий для получения многопараметровой характеристики может быть реализована в отношении иных показателей работы двигателя. Контроль за показателями эксплуатации с целью анализа информация о техническом состоянии узлов и агрегатов машины необходимы для диагностики и своевременного технического обслуживания и ремонта.
Тяговые свойства трактора зависят от многих факторов: мощности двигателя, эксплуатационной массы и ее распределения между мостами, размерности, профиля, диапазона и количества передач. Кроме этого важно техническое состояние трактора – от топливной системы, влияющей на выходные показатели мощности двигателя, до ходовой части, влияющей на проходимость, управляемость, деформацию почвы. (Цель исследования) Изучить влияние на тяговые свойства трактора способа соединения с сельскохозяйственной машиной, массы сельскохозяйственной машины, ширины захвата на основные технико-экономические показатели. Проанализировать зависимость от геометрических параметров трактора и сельскохозяйственных машин реакции почвы под опорными колесами машины, передними и задними колесами трактора. Определить влияние конструктивных особенностей культиваторов с различной шириной захвата на основные эксплуатационные свойства машинно-тракторного агрегата. (Материалы и методы) Исследование эксплуатации трактора «Беларус 82.1» с культиваторами КПС-4 и КПС-5 различных производителей проводили с использованием расчетного, расчетно-конструктивного, расчетно-графического, экономико-математических методов, а также сравнения, измерения, описания. (Результаты и обсуждение) Определили показатели, влияющие на изменение нагрузки, которая передается на трактор от навесных культиваторов. По этим показателям определены изменения реакций почвы на опорные колеса культиваторов и задние колеса трактора. (Выводы) На основании расчетов по влиянию навесных культиваторов с различной шириной захвата (эксплуатационной массой) на перераспределение реакций почвы между мостами определено изменение тягового усилия трактора, производительность машинно-тракторного агрегата, удельный расход топлива.
Расширение аграрного производства предполагает ускоренные темпы развития систем водоснабжения на сельскохозяйственных территориях. Вода потребляется при разведении животных, первичной обработке сырья, приготовлении жидких удобрений, на хозяйственно-бытовые и другие нужды. Большие объемы воды расходуются на приготовление жидких подкормок при выращивании культур, орошении полей. Для увеличения запасов влаги в корнеобитаемом слое почвы и повышения плодородия земель необходимо проводить ирригационные мероприятия. Дождевание относится к наиболее распространенным способам ирригации. Учитывая особенности рельефа местности, тип выращиваемой сельскохозяйственной продукции, а также обеспеченность конкретного хозяйства, следует выбирать определенные дождевальные машины, которые будут обеспечивать высокую эффективность полива. Дождевальные машины могут классифицироваться по принципу действия, по виду и типу, а также по преобразованию потока воды. (Цель исследования) Повысить эффективность ирригации путем подбора оптимальных параметров дождевальных машин с учетом условий местности. (Материалы и методы) Исследовали дождевальные машины, их производительность и технические характеристики, а также особенности рельефа. Проведен анализ литературных источников, экспериментальных данных о процессах ирригации; дана оценка эффективности использования конкретных машин и оборудования. (Результаты и обсуждение) Рассмотрели конструкции и принцип работы различных типов дождевальных машин, схемы и расчет интенсивности полива. Выявили недостатки конкретных схем орошения и типов дождевальных машин, предложили пути их устранения. (Выводы) Выбор схемы полива зависит от площади и рельефа орошаемого участка. В зависимости от финансовых возможностей хозяйства можно выбрать наиболее оптимальный тип дождевальный машины.
ИСТОРИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Исследовали особенности конструкций орудий для обработки почвы в период 1900-1950 годы. (Цель исследования) Провести ретроспективный анализ особенностей конструкций почвообрабатывающих орудий, применяемых на задерненных почвах в первой половине XX века. (Материалы и методы) Проанализировали этапы создания и усовершенствования конных и тракторных плугов. Выделены категории плугов: висячие, передковые, рамные, челночные (балансирные) и оборотные. (Результаты и обсуждение) Рассмотрены конструкции конных и первых тракторных плугов. Отмечено преимущество балансирных и оборотных орудий при вспашке без образования гребней и развальных борозд за счет поочередной работы правооборачивающих и левообрачивающих корпусов. Выявлено, что развитие широкозахватных пахотных агрегатов происходило за счет модернизации секций рамы и возможности их перестройки в трех- и четырехкорпусные варианты. Установили, что создателями первого пятикорпусного плуга с шириной захвата 35 сантиметров в 1936 году были Завод имени Октябрьской революции и Всесоюзный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (ВИМЭ) – предшественник ФНАЦ ВИМ. (Выводы) С началом применения широкозахватных пахотных агрегатов снизились трудоемкость и энергозатраты на процесс обработки почвы. Для более качественной заделки растительных остатков наиболее часто применяли плуги, оснащенные винтовыми отвалами.
Отметили, что начало исследований в области агрофизики в нашей стране относится к 1930-м годам и связано с именем ученого-физика, получившего мировое признание, Абрама Федоровича Иоффе. По его инициативе в 1932 году был создан первый в мире Агрофизический научно-исследовательский институт. А.Ф. Иоффе руководил институтом с 1932 по 1942 и с 1954 по 1959 год. Эти периоды представляют особый интерес с точки зрения постановки и реализации задач института. (Цель исследования) Проанализировать роль А.Ф. Иоффе в развитии агрофизической науки на посту директора Агрофизического института в 1954-1959 годах. (Материалы и методы) Изучили архивные материалы, отчеты о научно-исследовательской деятельности Агрофизического научно-исследовательского института, публикации, проанализировали деятельность А.Ф. Иоффе с 1932 по 1959 год. Рассмотрели роль физики в разработке и совершенствовании методов отечественного сельскохозяйственного производства. Представлены результаты теоретических и прикладных исследований, выполненных под руководством А.Ф.Иоффе, по созданию измерительных приборов для применения в системе управления промышленным агропроизводством. (Результаты и обсуждение) Выявили, что в периоды руководства А.Ф. Иоффе впервые в мире была разработана методология «электронного агронома». Показано внедрение передовых достижений физики в сельское хозяйство, в частности, полупроводниковых приборов контроля физико-химических параметров почвы и внешних факторов, влияющих на жизнедеятельность сельскохозяйственных культур. (Выводы) Отмечена роль ученого и организатора А.Ф. Иоффе на этапе возникновения и становления отечественной агрономической физики. Отражены основные направления агрофизических работ и результаты, достигнутые под непосредственным руководством А.Ф. Иоффе. Показана роль в формировании основных направлений исследований в области агрономической физики, которые в современных условиях остаются актуальными.
Отмечена роль профессора Августа Павловича Иофина в исследовании вопросов управления качеством и моделирования технологических процессов сельскохозяйственных машин. Научные идеи, заложенные А.П. Иофиновым, остаются до сих пор актуальными и востребованными. Их развитие и реализация способствуют улучшению работы сельскохозяйственной техники и повышению эффективности аграрной отрасли в целом. (Цель исследования) Обобщить историко-научный материал о деятельности профессора А.П. Иофинова и создании под его руководством на базе кафедры сельскохозяйственных машин Башкирского государственного аграрного университета научной школы. (Материалы и методы) Становление и развитие научной школы рассмотрены с использованием проблемно-хронологического метода. Научные проблемы, выдвигаемые профессором А.П. Иофиновым, представлены в последовательности их развития от гипотезы до практической апробации и обобщения в научных работах. (Результаты и обсуждение). Представлена история становления и развития научной школы на кафедре сельскохозяйственных машин Башкирского государственного аграрного университета под руководством профессора А.П. Иофинова. Созданная научная школа выполняла исследования по важным научным направлениям – статистической динамике сельскохозяйственных машин, управлению качеством работы сельскохозяйственной техники, моделированию технологических процессов, прогнозированию урожайности. В настоящее время эти направления получают новое развитие, формулируются новые задачи с учетом современных тенденций и достижений науки и техники. (Выводы) Работы профессора А.П. Иофинова и его научной школы привели к созданию новых алгоритмов и компьютерных программ автоматизации процессов управления сельскохозяйственной техникой и прогнозирования урожайности, цифровых двойников сельскохозяйственных машин на основе моделей технологических процессов. Это способствует более точному и эффективному использованию ресурсов, улучшению качества работы и повышению производительности в сельском хозяйстве.