Современные стратегии биотехнологического развития радикально изменяют не только производственные процессы в сельском хозяйстве, но и требования к формированию аграрной инфраструктуры, концепции развития сельских территорий. В начале 2000-х годов приоритетными были строительство дорог, водопровода, газификация, постоянное электроснабжение. Сейчас жизненно необходимы устойчивая мобильная связь, скоростной интернет, интернет вещей, цифровые технологии, роботизация, точное земледелие и так далее. Только в этом случае сельскохозяйственное производство проявляет максимальный синергетический эффект. (Цель исследования) Оценить и обосновать наиболее оптимальные механизмы и инструменты по развитию и реализации биотехнологического потенциала сельского хозяйства, разработать предложения по консолидации усилий государства и аграрного бизнеса по трансформированию страны в ведущую агропродовольственную державу. (Материалы и методы) Провели анализ тенденций биологического и технологического развития сельского хозяйства в современных условиях. Оценили эффективность процессов, обеспечивающих обоснованность и рациональность реализации в производство инновационных, наилучших доступных, аддитивных, цифровых и других технологий. (Результаты и обсуждение) Определили, что в последнее время наиболее популярны и востребованы технологии, направленные на достижение максимального синергетического эффекта от имеющихся в распоряжении сельхозтоваропроизводителя природно-биологических ресурсов: земли, агроландшафтов, почвенных биоценозов, воды, генетического потенциала продуктивности – растений, скота, птицы, объектов аквакультуры, других культивируемых живых организмов, при соблюдении экологического законодательства и сохранении окружающей природной среды. (Выводы) Установили, что современные векторы биотехнологического развития радикально меняют не только производственные процессы в сельском хозяйстве, но и требования к формированию аграрной инфраструктуры, концепцию развития сельских территорий. В настоящее время наиболее перспективными, популярными и востребованными стали четыре основные стратегии, базирующиеся на парадигме максимально эффективного использования имеющегося агробиотехнологического потенциала.

В Российской Федерации не производят высококлиренсную технику для питомниководческих хозяйств, выращивающих посадочный материал плодовых и ягодных культур. В связи с этим в Федеральном научном агроинженерном центре ВИМ и Мичуринском государственном аграрном университете разработали систему высококлиренсных энергетических средств, позволяющую эффективно вести хозяйственную деятельность, в зависимости от площади питомника. (Цель исследования) Повысить эффективность выращивания вегетативно размножаемых подвоев яблони в маточнике и саженцев путем комплексной механизации процессов на основе универсального технического средства и технологических модулей с рациональными конструктивными параметрами и кинематическими характеристиками исполнительных рабочих органов. (Материалы и методы) Общую методику испытаний машин и рабочих органов дополнили частными методиками в соответствии с программой исследований. Изготовили экспериментальные образцы машин для весеннего открытия маточных растений, окучивания отрастающих побегов, ошмыгивания листьев, отделения отводков и обеспечили систему автоматической ориентации над рядом растений. Разработали комплекс технических средств для ухода за маточными растениями. (Результаты и обсуждение) Определили, что качественное выполнение весеннего открытия маточника в оптимальные сроки раскрытия побегов повышает его продуктивность на 7-10 процентов. Создали оптимальную среду для развития растений с помощью машины с активным рабочим органом на операции окучивания отрастающих побегов, что увеличивает выход стандартных отводков до 86,2-90,6 процента. Обеспечили качественное механизированное отделение отводков в улучшенных условиях среза, что позволяет повысить выход стандартных отводков на 5-7 процентов, а на следующий год они хорошо укоренились, что дало прибавку отводков первого сорта 8-10 процентов. (Выводы) Экономическая эффективность от применения универсального комплекса для работы в маточнике составляет от 514 тысяч до 664 тысяч рублей на один гектар. Применение высококлиренсных технических средств СУВЭС, ВП-1,5 и АП-1,5 со сменными технологическими модулями повышает уровень механизации в среднем на 30 процентов, сокращает затраты труда на 20 процентов, улучшает условия труда обслуживающего персонала.

Важное направление повышения эффективности использования машинно-тракторных агрегатов – оперативный контроль мощности тракторов сельхозпредприятия. Показали, что потеря мощности тракторов и снижение их тяговых свойств повышают расход топлива на 10-15 процентов, а также эксплуатационные затраты. (Цель исследования) Разработать цифровую технологию оценки мощности тракторного парка сельхозпредприятия с применением динамической модели двигателей внутреннего сгорания и создать конфигурацию программно-аппаратных средств, базирующихся на современных информационных технологиях сбора и обработки данных. (Материалы и методы) Выбрали динамический метод диагностики двигателей внутреннего сгорания с использованием тестовых циклических воздействий, моделированием процесса измерения диагностического сигнала на фоне помех и анализом измерительной информации для расчета мощности. Обосновали структурную схему диагностического устройства, обеспечивающую выполнение необходимых технологических операций. Провели экспериментальные исследования цифровой технологии по оценке мощности тракторного парка сельхозпредприятия. (Результаты и обсуждение) Разработали алгоритм расчета мощности двигателей внутреннего сгорания в режиме реального времени по скоростной характеристике. Создали диагностическое устройство, обеспечивающее регистрацию данных, расчет скоростных характеристик и мощности двигателей внутреннего сгорания, а также информационное сопровождение всего технологического цикла. Определили, что завышенный расход топлива, необходимый для поддержания номинального значения мощности двигателей тракторного парка, за период наблюдений в среднем за год составляет 6525 килограммов, а затраты на него с учетом средней оптовой цены на дизельное топливо достигли 206 837 рублей. Показали возможность снижения затрат, необходимых для поддержания выявленных отклонений мощности вследствие завышенного расхода топлива путем своевременных ремонтно-регулировочных управляющих воздействий. Рассмотрели направления дальнейшего развития цифровой технологии и устройств. (Выводы) Предложили цифровую технологию и диагностическое устройство для оценки мощности тракторных двигателей внутреннего сгорания в производственных условиях. Рекомендовали сельхозпредприятиям использовать их как инструмент оперативного контроля энергообеспечения полевых работ для эффективной эксплуатации тракторного парка и снижения затрат.

В Северо-Западном федеральном округе основной источник загрязнения окружающей среды от сельхозпроизводства – утилизация органических отходов (навоз, помет), риск от которой достигает 85 процентов. Проблема обеспечения экологической безопасности требует разработки методов ее решения, основанных на современных интеллектуальных машинных технологиях, средствах мониторинга и управления технологическими процессами утилизации органических отходов. (Цель исследования) Обосновать комбинированные методы решения экологических проблем в животноводстве и птицеводстве. (Материалы и методы) Изучили воздействие на окружающую среду машинных технологий, применяемых в животноводстве и птицеводстве. Исследования проводили путем оценки экологических рисков и устойчивости агроэкосистем, применения методов и методик оценки наилучших доступных технологий, изучения основных направлений создания интеллектуальных цифровых технологий. (Результаты и обсуждение) Определили основные методы решения экологических проблем крупных сельскохозяйственных комплексов, включающие обоснование, проектирование и системную эксплуатацию наилучших доступных технологий аграрного производства. Предложили техническое средство в виде биореактора утилизации органических отходов, способное сократить время переработки навоза и помета в 60 раз, обеспечить автоматизированный контроль протекания и управления технологическим процессом с онлайн-регистрацией производственных и экологических показателей. Описали интеллектуальную систему мониторинга и утилизации органических отходов, включая концептуальную схему создания модульных центров по глубокой переработке. (Выводы) Обосновали, что реализация современных методов обеспечения эффективного и экологически безопасного функционирования сельскохозяйственного производства требует создания опытных площадок для проведения комплексных научных исследований и демонстрации работы системы: машинная технология – мониторинг – управление. Одну из площадок агробиотехнопарка ВИМ предложили создать на пилотном животноводческом комплексе Ленинградской области. Определили перспективные направления исследований для обеспечения перехода сельскохозяйственного производства на новый технологический уклад, реализующий принципы Smart Farming («Умное сельское хозяйство»), позволяющий обеспечить утилизацию не менее 510 миллионов тонн в год органических отходов сельхозпроизводства.

Дозатор семян считается ключевым рабочим органом сеялки арахиса. Он расположен над дном семенного ящика или над сошником. Суть процесса дозирования семян заключается в воздействии дозатора с целью выделения отдельных семян из массы и направления их непрерывным потоком. Способ посева и качество сеялки зависят в основном от работы дозатора семян. Проанализировали параметры пневматического дозирующего устройства, улучшение которых поможет нивелировать такие недостатки, как медленная скорость, сдваивание или пропуски семян при посеве. Определили факторы, влияющие на производительность высевающего аппарата. Провели необходимые расчеты оптимальных критериев, чтобы улучшить качество посева.

Дифференцирование величины силового воздействия на початки семенной кукурузы в процессе обмолота минимизирует количество макро- и микроповреждений зерна, что сохраняет потенциал урожайности данной культуры. (Цель исследования) Разработать автоматическую систему управления активными пневматическими элементами деки молотильно-сепарирующего устройства, позволяющую дифференцировать силу прижатия шипов к початкам семенной кукурузы в различных зонах молотильной камеры, чтобы снизить травмирование зерна. (Материалы и методы) Использовали методы системного анализа, проектирования алгоритмов работы автоматизированных механических систем, электроники и общей электротехники. (Результаты и обсуждение) Предложили перспективную конструкцию молотильно-сепарирующего устройства для семенной кукурузы. Укомплектовали ее активной пневматической декой с системой автоматического регулирования силы прижатия независимых друг от друга шипов деки к зерну, находящемуся в початке, непосредственно в процессе обмолота. Для подкачки и спуска воздуха установили два клапана в каждой из 16 пневмоподушек, использовали 32 управляющих реле. Для автоматизации процесса регулирования предусмотрели управление посредством контроллера Atmega 2560 давления в пневмоподушках, прижимающих шипы к зерну в процессе обмолота. Определили принципиальную схему, описывающую алгоритм работы контроллера с блоками управления давлением в пневмоподушках деки. Показали, что благодаря программированию контроллера можно изменять давление в пневмоподушках и тем самым регулировать силы прижатия шипов деки к початкам кукурузы адресно, то есть для любой пневмоподушки в любой части деки. (Выводы) Определили, что разрушающее усилие вдавливания 55 ньютонов достигается в определенных вариантах сочетания толщины мембраны, давления в пневмоподушках и глубины вдавливания шипа. Разработали конструкцию молотильного устройства с системой автоматизированного регулирования давления в пневмоподушках деки, позволяющую дифференцировать величину обмолачивающих сил, что минимизирует количество макро- и микроповреждений зерна семенной кукурузы.

Показали, что применяемые способы внесения удобрений под хлопчатник в Узбекистане не обеспечивают в полной мере поступление питательных веществ в корневую систему растения. Если распределить удобрения в зоне развития корней ярусно и в нужном соотношении, то коэффициент их использования повышается, увеличивается урожайность хлопчатника. (Цель исследования) Обосновать конструктивные параметры тукопровода-распределителя глубокорыхлителя для трехъярусного внесения удобрений. (Материалы и методы) Представили конструкцию разработанного тукопровода-распределителя для трехъярусного внесения удобрений. Глубокорыхлитель снабдили тукопроводом-распределителем, который состоит из цилиндрической и наклонной воронкообразной части, тукопроводящего канала и нижнего распределителя туков. В тукопроводящем канале установили два патрубка с отражательными пластинами, которые рассекают движущиеся удобрения и направляют их в соответствующий горизонт почвы. (Результаты и обсуждение) Исследовали движение гранул минеральных удобрений по тукопроводящему каналу. Изучили влияние длины выступающей части отражательных пластин патрубков и угла наклона воронки тукопровода-распределителя на распределение удобрений и на неравномерность поступления удобрений в верхний, средний и нижний ярусы. Рассчитали параметры загрузной воронки вертикального тукопровода, патрубков и подвижных пластин верхнего и среднего ярусов, рассеивателя удобрений нижнего яруса. (Выводы) Доказали, что качественное распределение минеральных удобрений на заданных глубинах внесения верхнего и среднего ярусов обеспечивается при длине их патрубков 260 и 240 миллиметров и выступающей части отражательных пластин тукопроводящего канала 26-30 миллиметров и 33-37 миллиметров соответственно. При этом 40-45 процентов удобрений распределяется в нижний, то есть третий ярус. Выбрали рациональные параметры нижнего рассеивателя удобрений: угол наклона желобка в продольно-вертикальной плоскости – 17-19 градусов; угол наклона желобка в поперечно-вертикальной плоскости – 29 градусов; высота заднего обреза желобка в средней части – 2,5 миллиметра, в конце – 0,5 миллиметра.

При использовании существующих сошников для внесения органо-минеральных удобрений не обеспечивается надежное протекание технологического процесса, так как шейка тукопровода не приспособлена к внесению таких удобрений. (Цель исследований) Обосновать параметры усовершенствованного сошника для внесения минеральных и органо-минеральных удобрений. (Материалы и методы) Провели исследования с использованием методов теоретической и земледельческой механики, а также аналитической геометрии. Рассмотрели движение частиц почвы по горизонтальной плоскости под действием заостренной части стойки. Построили графики изменения поступательной скорости культиватора в зависимости от угла заострения стойки сошника при углах трения 25, 30 и 35 градусов. (Результаты и обсуждение) Получили аналитическую зависимость для определения поступательной способности органо-минеральных удобрении через шейку сошника. Определили угол заострения стойки сошника для внесения удобрений на определенную глубину, при котором они не прилипают к его поверхности и не сгруживаются перед ним. Обосновали диаметр шейки тукопровода сошника. (Выводы) Доказали, что угол заострения стойки рабочего органа для внесения минеральных и органо-минеральных удобрений, разработанного по результатам проведенных исследований, должен быть в пределах 54-66 градусов. Рекомендовали для обеспечения свободного прохода удобрений диаметр шейки тукопровода сошника, превышающий 43 миллиметра.

Эффективность производства сахара во многом зависит от состояния свекловичной стружки, полученной при измельчении сахарной свеклы в центробежной свеклорезке. Показали, что уже к концу односменной наработки дефектное состояние ножей ведет к недобору до 28-30 процентов сахарозы. (Цель исследования) Установить качественные показатели свекловичной стружки, измельченной в центробежной свеклорезке, усовершенствовать конструкцию и технологию изготовления ножей с повышенными физико-механическими характеристиками. (Материалы и методы) Выявили причины, ухудшающие параметры ножей и качество измельчения сахарной свеклы в режущем аппарате. Для повышения прочности и износостойкости на изгиб режущих граней ножа усовершенствовали конструкцию ножа и предложили новую технологию его изготовления. Теоретически и экспериментально обосновали целесообразность замены технологии изготовления режущих граней резанием на обработку пластической деформацией в штамповой оснастке. (Результаты и обсуждение) Определили механизм и последствия изнашивания и поломок режущих кромок, деформации и поломок режущих граней ножей для измельчения сахарной свеклы. Усовершенствовали технологию штамповки граней в специальной оснастке. Разработали и экспериментально проверили в производственных условиях конструкцию оснастки для штамповки и механической обработки режущих граней ножа. (Выводы) Предложили упрочняющие методы обработки режущих граней ножей штамповкой. Решили вопросы конструктивного обеспечения технологии изготовления ножей специальной высокопроизводительной и ресурсосберегающей оснасткой. Экспериментально определили и проверили в условиях эксплуатации основные физико-механические показатели ножей для измельчения сахарной свеклы, изготовленных по традиционной и экспериментальной технологиям. Показали преимущества режущих граней ножей для измельчения сахарной свеклы, сделанных по усовершенствованной технологии: увеличение микротвердости на 14 процентов и повышение выносливости на изгиб на 30 процентов.

Результаты исследований сложных объектов могут быть представлены как задача с несколькими выходами, а это потребует получения отдельной математической модели для каждого результата. При использовании обобщенного критерия оптимизации (суперкритерия), например в виде функции желательности Хаppингтона, достаточно будет одной модели. Привели пример применения методики для определения факторов, влияющих на процесс высева семян экспериментальной сеялкой. (Цель исследования) Сформулировать общие рекомендации по усовершенствованию процесса планирования и организации научных экспериментов в области сельскохозяйственного машиностроения. (Материалы и методы) В ходе исследований руководствовались идеей преобразования натуральных значений частных критериев (или характеристик) в безразмерную шкалу желательности с последующей оценкой уровня предпочтительности набора факторов и уровней их варьирования в многофакторном эксперименте. В качестве объекта исследования выбрали высевающий аппарат для совместного высева двух культур. (Результаты и обсуждение) Установили следующие уровни желательности натуральных значений выхода (комбинации уровней варьирования факторов эксперимента): «очень хорошо», «хорошо», «удовлетворительно», «плохо», «очень плохо». Получили степень влияния факторов на процесс высева семян кукурузы экспериментальной сеялкой с помощью применения методики априорного ранжирования. Выявили приемлемый набор значений (комбинация оптимальных и максимальных значений) из диапазона варьирования факторов, позволяющий более качественно реализовать выбор основных факторов, влияющих на параметр оптимизации. Продемонстрировали работу запатентованного программного обеспечения по расчету данных согласно плану Бокса-Бенкена, позволяющего получить достаточную информацию о поверхности отклика процесса в центре эксперимента, выбранном в качестве предполагаемого оптимума. (Выводы) Представили способ подготовки к проведению и последующей обработке результатов сложных исследований с применением суперкритерия. Подчеркнули необходимость цифровизации процесса планирования и организации научных экспериментов.

Современные методы контроля оценки качества работы зерноуборочных комбайнов во время испытаний осуществляются в режиме «укладка в валок». Показали актуальность аналогичной оценки в наиболее распространенном режиме «измельчение – разбрасывание» и разработки простого и надежного метода и технического средства для оценки потерь зерна в поле при работе комбайна. (Цель исследования) Разработать метод контроля потерь зерна за комбайном, работающим в режиме «измельчение – разбрасывание», с использованием опытного образца двухкамерного пробоотборника. (Материалы и методы) Предложили новую конструкцию опытного образца двухкамерного пробоотборника. Определили, что он обеспечивает раздельный сбор потерь зерна, допускаемых рабочими органами комбайна. Применили схему расстановки в поле ограниченного числа пробоотборников. Разработали метод отбора проб потерь зерна за рабочими органами комбайна с использованием разработанного пробоотборника. Применяемый метод контроля состоял в оценке результатов апробирования опытного образца двухкамерного пробоотборника на испытаниях зерноуборочного комбайна в режиме «измельчение – разбрасывание». (Результаты и обсуждение) Создали опытный образец двухкамерного пробоотборника, имеющего принципиально новую конструкцию. Предложили метод определения качества работы зерно­уборочного комбайна. Получили графики распределения потерь зерна по ширине молотильно-сепарирующего устройства и по ширине разбрасывания, равной захвату жатки. (Выводы) Установили, что внедрение двухкамерного пробоотборника позволит проводить раздельный отбор проб последовательно за жаткой, молотилкой и измельчителем-разбрасывателем при исключении последовательного наложения погрешностей. Выявили, что предложенная схема отбора проб потерь зерна за рабочими органами комбайна обеспечит сокращение общего числа применяемых пробоотборников – не более 7 в каждой повторности независимо от ширины молотильно-сепарирующего устройства или жатки.