В 100-летней истории развития сельскохозяйственного машиностроения в Китае можно выделить пять этапов: зарождение отрасли (1917-1949); системное развитие (1949-1979); преобразование системы (1980-1995); ориентация на рынок (1996-2003); интенсивное развитие (2004-2014). На сегодняшний день в стране третий год продолжается реализация 13-го пятилетнего плана. В последние 10 лет достигнуты значительные успехи в механизации сельского хозяйства. Однако ее уровень не достаточен по сравнению с развитыми странами. Чтобы сократить этот разрыв, а также повысить конкурентоспособность сельскохозяйственной техники, в Китае разработана стратегия научно-технического инновационного развития механизации сельского хозяйства. Она получила название «стратегии трех шагов», так как в ней обозначены цели развития сельскохозяйственного машиностроения механизации аграрной отрасли в соответствии с тремя периодами –до 2025, 2035 и 2050 годов. В настоящее время в Китае реализуются два принципа развития, которые представляют собой полную механизацию производственных процессов и всего сельского хозяйства в комплексе.

Чрезмерное и несбалансированное использование пестицидов, необходимых для защиты агрофитоценозов от вредителей, приводит к загрязнению окружающей среды. Ядовитые пестициды вступают в естественные циклы круговорота веществ. Они быстро исчезают или подвергаются уничтожению биологическими агентами. Есть также «невредные» пестициды, которые не вступают в естественные циклы круговорота веществ и не накапливаются в пищевых цепочках и в биотопах. Эти вещества стали предметом исследования в области экологической безопасности.

Для разработки теории и практики управления процессами в теплице необходимо создать математическую модель светокультуры. (Цель исследования) Разработать методику моделирования и анализа энергоэкологичности светокультуры. (Материалы и методы) Провели экспериментальное подтверждение предложенной методики для светокультуры рассады томата, выращиваемой в лабораторных условиях с контролируемыми параметрами среды. Использовали облучатель, состоящий из светодиодной матрицы с вторичной оптикой и драйвером. Фотопериод составлял 16 часов. Эксперимент завершили на 46 сутки. Методика включает анализ эффективности преобразования энергии на различных этапах в блоках модели искусственной биоэнергетической системы светокультуры: источник электрического питания; источник излучения; оптическая часть; пространственное распределение потока; поверхностное распределение потока; растение. Предложили формулы для вычисления энергоемкости каждого из блоков искусственной биоэнергетической системы светокультуры. Выявили, что для принятых по экспертным оценкам значений энергоемкости каждого блока общая энергоемкость составляет 0,32-2,27 мегаджоуля на один грамм сырой массы растения, то есть различается практически на порядок, в зависимости от конкретной реализации технологии светокультуры. Показали, что оптимизация не сводится к последовательному выбору на каждом этапе варианта с наименьшим значением энергоемкости, но требует поиска оптимального маршрута на графе вариантов. (Результаты и обсуждение) Для условий эксперимента общая энергоемкость искусственной биоэнергетической системы светокультуры составила 3,77 мегаджоуля на один грамм сырой массы растения. Причина низкой эффективности – неудовлетворительная фотонная отдача светодиодной матрицы и малая продуктивность фотосинтеза в растении. (Выводы) Разработанная методика моделирования и анализа энергоэкологичности светокультуры позволила оценить возможности энергосбережения на каждом этапе преобразования энергии и вещества в светокультуре. Теоретически возможное снижение потерь в источнике электрического питания составляет 22 процента; в оптической части – 14 процентов; при формировании пространственного распределения потока – 16 процентов; поверхностного распределения потока – 10 процентов. Возможность повышения эффективности источника излучения зависит от достигнутого уровня техники, который в настоящее время обеспечивает отдачу не менее 2,5 микромоля с одного джоуля. Для повышения продуктивности светокультуры необходимо точное согласование параметров светового режима и требований растений.

Чем лучше выполнены полевые операции, тем ниже засоренность посевов, а значит, требуется меньше химических средств защиты, что положительно отражается на плодородии почв, качестве урожая и экологической обстановке в целом. (Цель исследования) Изучить кругооборот сорняков в машинных агротехнологиях производства зерновых и предложить способы уменьшения засоренности на всех этапах возделывания с учетом благоприятного экологического отклика агрофона. (Материалы и методы) Раскрыли основополагающие критерии выполнения полевых операций на основе многофакторной модели возделывания сельскохозяйственных культур: снижение засоренности, уменьшение участков переуплотнения почвы и повторной обработки, экологический отклик. Продемонстрировали кругооборот сорняков в традиционных технологиях производства зерновых культур. Выявили динамику развития сорняков и их распространения в агрофоне. (Результаты и обсуждение) Провели контроль семян сорных растений на посевах яровой пшеницы в производственных условиях в течение уборочных сезонов 2016 и 2017 годов. Обнаружили опытным путем в выделенных продуктах обмолота повышенное содержание семян просовидных сорняков, масса которых варьировалась от 5 до 16 граммов на квадратный метр. Удельный вес семян сорняков в бункерном зерне составлял 2,9 процента. Выявили, что семена сорных растений, выделенные комбайном, сохраняют всхожесть после осенних обработок почвы. Поперечная почвообработка увеличивает область засоренности в 2 раза и более. Предложили комплексную систему борьбы с сорной растительностью на всех этапах полевых работ с учетом экологического отклика агрофона. Показали, что особое значение имеет отделение и уничтожение семян сорняков на этапе уборки урожая. Представили технико-технологические решения снижения сорной растительности, обеспечения благоприятной экологической обстановки. (Выводы) Выстроили комплексную систему снижения засоренности. Сократили общую нагрузку от действия средств защиты растений на 30 процентов.

Разработка и апробация новых эффективных и экологически безопасных технологий утилизации отходов представляет собой приоритетную задачу агроэкологии и рационального природопользования. Одна из таких технологий – переработка навоза крупного рогатого скота в подстилку для животных. (Цель исследования) Экономически обосновать применение различных вариантов технологии производства подстилки из навоза в условиях функционирующего животноводческого предприятия. (Материалы и методы) На примере молочной животноводческой фермы с поголовьем 100 коров дойного стада рассмотрели три варианта реализации данной технологии: I – разделение навоза на фракции с последующей аэробной ферментацией твердой фракции навоза в установках барабанного типа; II – смешивание несепарированного навоза с торфом и последующая аэробная ферментация в установках барабанного типа; III– смешивание несепарированного навоза с торфом и последующая аэробная ферментация в установках камерного типа. Сравнили капитальные, эксплуатационные и трудовые затраты, а также срок окупаемости. (Результаты и обсуждение) Определили комплекс необходимых сооружений и оборудования для переработки навоза и хранения полученного продукта для всех вариантов. Провели экономическую оценку указанных вариантов. Показали, что для варианта I капитальные затраты на внедрение составили 18,2 миллиона рублей, эксплуатационные – 8,9 миллиона рублей, трудозатраты – 5,1 человеко-часа на тонну, срок окупаемости – 2,1 года. Выявили, что вариантам II и III соответствовали высокие затраты, то есть производство подстилки с добавлением торфа оказалось убыточным. (Выводы) Определили наиболее эффективный и экономически обоснованный вариант технологии переработки навоза: разделение его на фракции, аэробная ферментация твердой фракции в установках барабанного типа и длительное выдерживание жидкой фракции в навозохранилище. Варианты II и III экономически нецелесообразны.

В мировой практике для внесения твердых минеральных удобрений почти 90 процентов машин используют высевающие аппараты броскового типа. Показали, что наилучшими показателями обладают зернотуковые сеялки, у которых неравномерность внесения удобрений составляет около 10 процентов. Подтвердили, что из-за небольшой ширины захвата производительность этих машин недостаточна. На практике их не используют для внесения основной дозы удобрений при подготовке почвы под посев. (Цель исследования) Создать пневматическую штанговую машину, позволяющую повысить равномерность рассева удобрений при внесении основной дозы и подкормке по вегетирующим растениям. (Материалы и методы) Получили зависимости, позволяющие определить рациональные конструктивно-кинематические параметры устройства дозирования и распределения удобрений через эжекторы и рассеивающие поверхности с использованием законов и методов классической механики и математики. Провели экспериментальные исследования на разработанном и изготовленном образце. Проверили его работоспособность в полевых условиях по стандартным и частным методикам. Определили, что на качество рассева удобрений пневматической штанговой машиной основное влияние оказывают равномерность подачи их катушечными аппаратами в воздушную струю, в штанги с отверстиями и характер распределения удобрений по эжекторам в зависимости от расстояния между ними. (Результаты и обсуждение) Установили закономерности транспортирования и дозирования удобрений катушечными высевающими аппаратами с обоснованием метода и способа распределения воздушно-минеральной смеси по каналам штанги. Получили математическое описание процессов внесения минеральных удобрений с учетом качественных показателей равномерности рассеивания их по поверхности поля. Отметили, что неравномерность распределения удобрений при соответствующей длине штанг соответствует расчетным нормам. (Выводы) Выявили, что в полевых испытаниях машины неравномерность внесения аммиачной селитры составила 8 процентов. Установили, что уже на стадии проектирования машин можно оценить показатели по неравномерности в зависимости от качества дозирования и расстояния между высевающими эжекторами.

Описали условия, необходимые для равномерной обработки почвы на заданную глубину. Показали, что опорные колеса почвообрабатывающих машин должны быть постоянно прижаты к поверхности почвы. Подтвердили необходимость определения оптимального значения вертикальной силы давления опорных колес на почву. (Цель исследования) Выявить возможности обеспечения заданной глубины и требуемой равномерности обработки почвы на примере навесного плуга с опорным колесом. (Материалы и методы) Провели исследования с использованием методов теоретической и земледельческой механики, а также аналитической геометрии. Составили схему сил, действующих на плуг в процессе вспашки. (Результаты и обсуждение) Получили аналитическую зависимость для определения вертикальной силы давления опорного колеса навесного плуга на почву с учетом размеров и параметров механизма навески трактора, а также навесного устройства плуга. Графическим методом определили оптимальные значения расстояния по вертикали от опорной плоскости плуга до его нижних присоединительных точек. Вычислили оптимальные численные значения учитываемых параметров: расстояние по вертикали от опорной плоскости трактора до точки крепления нижних тяг его механизма навески – 0,6 метра; число корпусов, установленных на плуг, – 4 штуки; масса одного корпуса плуга – 250 килограммов; коэффициент полезного действия плуга – 0,7; глубина вспашки (обработки) – 0,3 метра; расстояние по горизонтали от нижних присоединительных точек плуга до носка лемеха первого корпуса – 0,45 метра; продольное расстояние между корпусами плуга – 1,0 метр; ширина полевой доски плуга – 0,2 метра; коэффициент сопротивления перекатыванию опорного колеса плуга – 0,2; диаметр опорного колеса – 0,5 метра и другие. (Выводы) Установили, что для обеспечения заданной глубины и требуемой равномерности вспашки расстояние по вертикали от опорных плоскостей четырехкорпусных плугов, агрегатируемых с колесными тракторами класса 3-4, до нижних присоедительных точек должно быть в пределах 0,703-0,771 метра.

Важнейшая задача при создании конкурентоспособной сельскохозяйственной техники – производство высокоресурсных деталей. Разработка новых технологий и материалов определяет технический уровень сельскохозяйственного машиностроения. Лемех плуга служит наиболее нагруженной и важной деталью, от параметров которой зависят качественные, энергетические и экономические показатели технологической операции вспашки. (Цель исследования) Разработать и подтвердить теоретически материаловедческие и технологические параметры лемехов плугов, обеспечивающие повышение их долговечности и работоспособности. (Материалы и методы) Отметили низкий уровень качества отечественных лемехов плугов, изготовленных без применения современных технологий. Проанализировали материалы лемехов и других деталей почвообрабатывающих орудий, выпускаемых ведущими зарубежными фирмами, и пришли к выводу, что в их производстве используют низкои среднеуглеродистые борсодержащие легированные и высоколегированные стали. Ведущие мировые производители деталей также часто применяют поверхностное наплавочное упрочнение их твердосплавными покрытиями. (Результаты и обсуждение) Теоретически и экспериментально обосновали направления повышения прочности и износостойкости лемешных рабочих органов. Выбрали материалы основы лемехов преимущественно исходя из параметров прочности. Провели сравнительные лабораторные испытания различных материалов и образцов-свидетелей (в том числе двухслойных) на абразивную износостойкость на двух стендовых установках. Определили материалы твердосплавных покрытий, уточнили коэффициенты относительной износостойкости рекомендованных к использованию в конструкциях лемехов сталей твердосплавных слоев. Рассмотрели технологический способ упрочнения машинных рабочих органов. (Выводы) Предложили упрощенную расчетную методику выбора конструктивно-материаловедческих параметров (толщины и ширины упрочняющих покрытий) лезвий лемехов и накладных долот, в зависимости от износных характеристик применяемых материалов и толщины материала основы лемехов. Разработали математические зависимости, определяющие линейный износ лезвия лемеха и его долота в зависимости от характеристик применяемых материалов, конструктивных параметров, почвенных условий и объема наработки. Осуществили проверочные эксплуатационно-ресурсные сравнительные испытания новых разработанных лемехов. Показали, что предельная наработка новых изделий превышает ресурс серийных аналогов в различных почвенно-климатических условиях в 3,5-5,5 раз.

Обеспечение качественного посева и равномерности всходов семян зависит от предпосевной подготовки почвы: разравнивания поверхности полей, уплотнения почвы до требуемой степени и образования мелкокомковатого мульчирующего слоя на ее поверхности. Для выполнения этих операций разработали выравниватель-рыхлитель. (Цель исследования) Обосновать углы заострения, длины и ширины междуследия режущих ножей выравнивателя-рыхлителя. (Материалы и методы) Провели теоретические исследования с применением методов высшей математики и теретической механики. Получили аналитические зависимости, определяющие рациональные значения угла заострения режущих ножей и ширину их междуследия. (Результаты и обсуждение) Показали, что передняя часть выравнивателя устраняет неровности поверхности почвы, а задняя часть уплотняет. Комки, находящиеся на поверхности почвы, частично измельчаются режущими ножами и частично вдавливаются в почву. Формируется мульчирующий слой толщиной 4-6 cантиметров. Приняли длину ножей равной глубине посева семян хлопчатника. Определили угол заострения ножей из условия отсутствия сгруживания почвы перед ними и исключения залипания ее на их рабочей поверхности. (Выводы) Выявили, что для обеспечения качественной подготовки почвы к севу при минимальных затратах энергии угол заострения режущих ножей выравнивателя-рыхлителя должен быть в пределах 54-66 градусов.Учитывая, что выравниватель-рыхлитель применяют в основном при подготовке почвы под посев хлопчатника, а заделку семян хлопчатника проводят на глубину 4-6 сантиметров, предложили принять длину ножей равной 5 сантиметрам. Рассчитали, что ширина междуследия режущих ножей не должна превышать 10 сантиметров.

Пальмовое масло по теплоте сгорания, стехиометрическому соотношению, цетановому числу наиболее близко к традиционному дизельному топливу. Однако повышенные кинематическая вязкость, температура застывания затрудняют его применение в чистом виде в дизельных двигателях. (Цель исследования) Изучить особенности горения: дизельного топлива с различными добавками пальмового масла (биодизельного топлива); чистого 100-процентного пальмового масла; биодизельного топлива с различными добавками пальмового масла и перекиси водорода, а также разработать метод управления процессом его горения. (Материалы и методы) Для определения времени задержки воспламенения выбрали методику кинетического моделирования процесса самовоспламенения биодизельного топлива в воздухе. Моделирование процесса самовоспламенения проводили в программном комплексе Chemical Workbench. В расчетах использовали модель адиабатической калориметрической бомбы. Для описания процесса самовоспламенения использовали универсальный кинетический механизм, который был верифицирован для расчета самовоспламенения суррогатов дизельного, биодизельного топлива, образования токсичных веществ и сажи в процессах горения. (Результаты и обсуждение) Показали, что добавки пальмового масла к дизельному топливу увеличивают задержку его самовоспламенения, особенно в области низких и средних температур – 750-950 кельвинов. Определили, что при добавке до 10 процентов пальмового масла время задержки воспламенения биодизельного топлива практически не отличается от показателя дизельного топлива – не более 5 процентов. Повышение добавки пальмового масла до 30 процентов и более заметно увеличивает задержку воспламенения топлива. При использовании в качестве топлива только пальмового масла задержка воспламенения в диапазоне температур 800-950 кельвинов возрастает в 2 раза. Рассчитали для каждого состава биодизельного топлива с различными добавками пальмового масла оптимальное количество перекиси водорода. (Выводы) Показали, как с помощью добавок перекиси водорода можно влиять на реакционную способность биодизельного топлива и тем самым регулировать время задержки его воспламенения.