Реализуемый в настоящее время проект «Российско-финляндский центр компетенции в области биоэкономики – BioCom» в рамках Программы приграничного сотрудничества Юго-Восточной Финляндии и России на 2014-2020 годы направлен на интеграцию принципов и подходов биоэкономики в сельскохозяйственный сектор соседних приграничных районов России и Финляндии. Подтвердили, что энергоэффективность сельского хозяйства и устойчивое использование энергоресурсов составляют одну из основ концепции биоэкономики. Показали необходимость проведения энергоаудита при определении возможностей для снижения энергозатрат в сельском хозяйстве.

(Цель исследования) Выявить новые подходы к энергоаудиту сельхозпредприятий и показатели оценки на основе опыта реализации проекта.

(Материалы и методы) Для энергетического обследования выбрали четыре хозяйства – два в Ленинградской области, Россия, и два в регионе Южное Саво, Финляндия. В России применяли стандартную процедуру энергоаудита, измерений и расчетов. Обследовали и оценили системы электро-, тепло-, водоснабжения, канализации и ограждающих конструкций.

(Результаты и обсуждение). По результатам энергетических аудитов в рамках проекта и предыдущего соответствующего опыта установили основные меры по энергосбережению и повышению энергоэффективности. Предложили три новых подхода к энергоаудиту сельскохозяйственных предприятий: энергоэкологическую оценку применяемых технологий и оборудования; рассмотрение вопроса об использовании возобновляемых источников энергии; изучение возможности перевода транспорта на биогаз.

(Выводы) Подтвердили необходимость энергоаудита в целях повышения энергоэффективности сельскохозяйственного производства. Показали, что энергетические обследования должны учитывать критерии энергоэкологической оценки, возможность применения возобновляемых источников энергии и перевода транспортных средств на биогаз.

Современное высокомеханизированное сельскохозяйственное производство характеризуется несовместимостью одновременной реализации требований экологических организаций к максимальному давлению движителей сельскохозяйственной мобильной техники на почву и возможностей повышения энергонасыщенности тракторов при оснащении их существующими колесными движителями.

(Цель исследования) Согласовать максимальное давление на почву с допустимыми нормами, коэффициентами использования сцепного веса и уровнем энергонасыщенности тракторов.

(Материалы и методы) Использовали расчетный метод определения максимального давления на почву с помощью универсальной характеристики шины.

(Результаты и обсуждение) Установили, что при выполнении весенних работ по закрытию влаги и проведению посева пропашных культур при допустимом максимальном давлении 80 килопаскалей, соответствующем всем типам почв, самый массовый универсально-пропашной трактор Беларус 1020 имеет максимальное давление 150 килопаскалей, что на 70 килопаскалей превышает допустимое при соответствующем недоборе урожая. Установили, что замена ординарных шин на агрофильные позволяет увеличить площадь пятна контакта на 16 процентов с одновременным уменьшением коэффициента неравномерности и увеличением коэффициента использования сцепного веса. Принципиальным условием замены ординарных шин на агрофильные служит сохранение неизменным создаваемого трактором тягового усилия.

(Выводы) Определили оптимальные значения коэффициента использования сцепного веса: для шин сверхнизкого давления – 0,5, для резинометаллического шарниира с торсионной подвеской -- 0,6, для резиноармированной гусеницы – 0,7. Установили, что проведенные исследования с учетом имеющихся данных о тяговых испытаниях гусеничного трактора Т-250, позволят включить агрофильную концепцию с гипотетической (предполагаемой) зависимостью коэффициента использования сцепного веса от коэффициента продольной неравномерности в пересматриваемый ГОСТ 27021-86 «Тракторы сельскохозяйственные и лесохозяйственные. Тяговые классы».

Показали, что во время уборки моркови копателями из-за изменчивости физико-механических свойств почвы образуются прочные почвенные комки, которые плохо отделяются от корнеплодов и осложняют технологический процесс сепарации, что приводит к перегрузке машин. Разработали решетчатый рыхлящий рабочий орган, улучшающий сепарирующие способности элеватора копателя.

(Цель исследования) Обосновать параметры решетчатого рыхлителя копателя моркови, который обеспечивает интенсивное разрыхление почвы и увеличивает полноту сепарации примесей при минимальном повреждении корнеплодов.

(Материалы и методы) Исследовали геометрические, кинематические параметры решетчатого рыхлителя копателя моркови. Изучив физико-механические свойства грядки моркови, теоретически обосновали конструктивные параметры механизма и его кинематические показатели.

(Результаты и обсуждение) Установили, что при взаимодействии решетчатого рыхлителя с почвенными пластами на элеваторе происходит разрушение почвенных комков, разрыхление почвы при следующих параметрах: радиус рыхлителя – не более 9,5 сантиметра, высота расположения вала – 20 сантиметров, погруженная часть лопасти рыхлителя – 6 сантиметров, ширина решетчатого рыхлителя – 47 сантиметров.

(Выводы) Выявили, что решетчатые рыхлители способствуют интенсивному сепарированию почвенного пласта без повреждения и потерь корнеплодов моркови. Доказали, что окружная скорость решетчатого рыхлителя должна быть не более 2,5 метра в секунду, кинематический режим средства интенсификации сепарации – 2,5, радиус рыхлителя – не более 9,5 сантиметра.

Создание компактных роботизированных манипуляторов доения предполагает их использование не только в одноместных постах роботизированного доения (монобокс), но и в доильных залах типа «Параллель» или «Карусель» вместимостью до 120 голов при одновременном доении.

(Цель исследования) Обосновать технологические схемы доильных залов и варианты их использования на животноводческих фермах различной вместимости.

(Материалы и методы) Изучили опыт организации системы машинного и роботизированного доения крупного рогатого скота в Российской Федерации и зарубежных странах, лидирующих по уровню производства молока. Проанализировали ассортимент машин для молочного животноводства. По результатам имитационного моделирования в среде Any Logic предложили концепции систем роботизированного доения. Сравнили пропускную способность при выполнении операций доения роботизированными типами доильных установок и стандартных систем, обслуживаемых оператором.

(Результаты и обсуждение) Провели расчеты и дали сравнительную оценку продолжительности циклов обслуживания животных в автоматизированных и роботизированных доильных залах различной конфигурации: «Веер», «Елочка», «Параллель». Для снижения капиталоемкости роботизированных установок, повышения уровня поточности выполнения технологических операций, сокращения времени на обслуживание животных предложили систему роботизированной санации животных при входе в доильный зал. Доказали, что внедрение предложенной конфигурации роботизированных доильных залов позволит снизить капиталоемкость оборудования по сравнению однобоксовыми моделями роботизированных постов доения. Отметили преимущества подобных систем: общую инфраструктуру компонентной базы (молокопроводы, молокоприемники, автомат промывки и др.) и исключение разделения на отдельные потоки.

(Выводы) Выявили оптимальное соотношение количества доильных постов и санпунктов – 13:1. Доказали, что оно обеспечивает максимальную производительность труда роботизированного доильного зала. По результатам теоретических расчетов определили, что предлагаемые схемы роботизации доильных залов превышают производительность существующих одноместных роботизированных постов доения.

Понятие биотехнических систем относится к классу человеко-машинных систем или систем «Человек–машина–растение», «Человек–машина–животное», последние относятся к сельскому хозяйству и отрасли животноводства, в частности. В сельскохозяйственном производстве биотехнические системы обладают свойствами бимодальности, когда присутствуют два и более биологических объекта, человек как управляющий оператор и объект обслуживания (растения, животные).

(Цель исследования) Проанализировать тенденции развития биомашинных и технических систем с целью дальнейшей интеллектуализации и цифровой трансформации сельскохозяйственного производства.

(Материалы и методы) Отметили, что в исследовании человеко-машинных систем существует два подхода: антропоцентрический и машиноцентрический; первый решающую роль отводит человеку, второй – машине.

(Результаты и обсуждение) Рассмотрели функционалы подсистем «Человека» и «Машины»; часть функций человека-оператора будут постепенно передавать «Машине», а человек-оператор будет трансформирован в человека-эксперта и человека-пользователя. Разработали схему интеллектуальной биотехнической системы в животноводстве, определили коэффициенты адаптации локальных автоматизированных и роботизированных биотехнических систем к биологическим объектам. Создали схему функционирования локальных биотехнических систем в частично автономном режиме мультиагентного управления, выявили критерии оценки функционирования локальных биотехнических систем.

(Выводы) Необходимо усиление «машинного» фактора на основе развивающейся машиноцентрической модели и преобразования сложной трехзвенной биотехнической системы в животноводстве в двухзвенную с поляризацией подсистем «Человек-эксперт», «Человек-пользователь» и «Машина–животное», при этом последняя вбирает в себя все больше интеллектуальных функций, переданных «Человеком», за которым сохраняется контроль, координация и управление всей системой.

Оценили уровень роботизации технологических процессов на животноводческих комплексах по содержанию крупного рогатого скота, определили, что наиболее свободной нишей роботизации технологических процессов стало кормление, которое на 55 процентов формирует молочную продуктивность. Показали необходимость в разработке колесной роботизированной платформы, которая обеспечит доступность кормовой смеси по фронту кормления и в процессе перемещения будет многостадийно насыщать объемистые компоненты кормовой смеси концентрированными, повышая их привлекательность для животных, при этом нормализуя баланс сухого вещества и клетчатки.

(Цель исследования) Смоделировать систему управления роботизированной платформой с независимым электромоторизированным приводом.

(Материалы и методы) Рассмотрели технологии организации процессов кормления животных на ферме. Провели технологическую оценку эффективности применяемых на ферме автоматизированных и роботизированных машин. Использовали в процессе исследования среду имитационного моделирования Matlab/Simulink.

(Результаты и обсуждение) Разработали математическую модель, описывающую кинематику и динамику движения платформы. Сформировали предполагаемую элементную базу в общую модель робота в искусственной среде Matlab/Simulink, сымитировав процесс движения по окружности.

(Выводы) Создали математическую модель, формирующую основу создания системы управления разрабатываемого робота. Доказали, что устройство дозирования кормовых добавок обеспечит баланс потребляемого сухого вещества и клетчатки.

Снижение энергозатрат в технологических процессах охлаждения и хранения молока на фермах – актуальная задача.

(Цель исследования) Сократить энергоемкость процесса охлаждения молока на фермах при сохранении его качества.

(Материалы и методы) Исследовали существующие и новые умные комбинированные системы охлаждения на основе рационального использования источников природного и искусственного холода со средствами его аккумулирования и экологически чистыми хладоносителями с низкой температурой замерзания.

(Результаты и обсуждение) Определили зависимость количества энергии, которое может быть применено для охлаждения и хранения молока и рассеяно в окружающую среду, от потенциала природного холода района и места расположения технологического объекта. Разработали методику оценки потенциала природного холода для различных регионов страны. Установили требуемые емкости льдохранилищ для молочных ферм с различным поголовьем и годовым удоем. Представили диаграмму экономии электрической энергии при использовании природного холода для охлаждения молока на фермах на 400 голов с удоем 5000 литров в различных климатических регионах России. Показали, что значительная экономия энергии может быть получена в результате применения комбинированных аккумуляторов природного и искусственного холода с использованием экологически чистых хладоносителей с низкой температурой замерзания и грунтовых льдохранилищ, в которых замораживание грунта и воды осуществляется грунтовой охлаждающей термоустановкой с двухфазными термосифонами.

(Выводы) Применение умных комбинированных систем охлаждения молока на фермах на основе рационального использования источников природного и искусственного холода со средствами его аккумулирования и экологически чистыми хладоносителями с низкой температурой замерзания позволяет сократить энергозатраты в 1,5-3 раза при сохранении качества продукта. Данные системы в различной конфигурации и комплектации эффективно использовать во всех агроклиматических регионах страны.

Стратегические планы экономического развития Российской Федерации на ближайшую перспективу предполагают увеличение спроса на изделия из натуральных волокон, в том числе льняные ткани, что потребует роста производства отечественного льносырья. Рассмотрели важнейшие проблемы научного обеспечения увеличения производства и повышения качества льнопродукции в России.

(Цель исследования) Оценить состояние льноводства и выявить проблемы научного обеспечения повышения качества льнопродукции.

(Материалы и методы) Изучили организационные аспекты возделывания и переработки льна, новые способы уборки культуры, вопросы механизации технологических процессов и состояние технической оснащенности хозяйств.

(Результаты и обсуждение) Показали, что доля использования льна в индустриально развитых странах достигает 24 процентов при производстве текстиля, бумаги, композитных материалов. Выявили, что уровень механизации на льнозаводах не превышает 40 процентов. Представили сравнительный анализ интенсификации западноевропейского и отечественного льноводства. Подтвердили, что раздельную технологию уборки можно применять в среднем на 25-30 процентах уборочной площади, в зависимости от погодных условий. Определили, что примерно 90 процентов тресты в России и за рубежом получают, используя росяную мочку. Разработали новый способ уборки льна и многофункциональный агрегат для его осуществления. В ходе экспериментов установили рост производительности новых технических средств на 50 процентов, сокращение содержания путанины в ворохе на 60 процентов, снижение потерь семян в 3 раза по сравнению с уборкой льноуборочным комбайном ЛК-4А. Показали достоинства метода оборачивания ленты на льнище, который создает равные условия вылежки для верхнего и нижнего слоев, что особенно эффективно при урожайности соломы более 3,5 тонны с гектара. Оборачивание способствует увеличению однородности соломы по цвету в верхнем и нижнем слоях ленты и повышает качество и количество льнотресты.

(Выводы) Установили, что для повышения эффективности льноводства необходима комплексная модернизация, предполагающая решение организационных, агрономических, технологических и инженерно-технических вопросов.

Представили результаты лабораторных исследований искусственной почвенной среды на основе песчано-парафиновых смесей, отражающей физико-механические свойства почвы с наличием растительных остатков. Провели испытания по определению тягового сопротивления почворежущих рабочих органов при обработке почвы с наличием корневых и пожнивных остатков.

(Цель исследования) Обосновать параметры искусственной почвенной среды, содержащей модели корневых и пожнивных остатков, для лабораторных исследований износа и тяговых характеристик почворежущих рабочих органов, эксплуатируемых на послеуборочных, целинных и залежных сельхозугодиях.

(Материалы и методы) Разработали искусственную почвенную среду путем введения в ее состав нитевидных компонентов длиной 5-25 миллиметров.

(Результаты и обсуждение) Определили критерии геометрического подобия «модель – натура» для почвенных условий Нечерноземной зоны России. Установили, что равенство критериев подобия «модель – натура» для лабораторного исследования залежных земель происходит при значениях длины нитевидных компонентов от 20 мм и концентрации от 20 отрезков на единицу площади сечения при прохождении 0,1 метра в искусственной почвенной средe. Выявили, что для моделирования старопахотных земель длина нитевидных компонентов должна превышать 5 миллиметров, концентрация – от 10 отрезков на 0,1 метра длины прохождения в искусственной почвенной средe. Провели полевые испытания пахотных агрегатов на залежных и старопахотных землях.

(Выводы) Установили, что равенство геометрических критериев подобия искусственной почвенной среды и реальных почвенных условий позволяет проводить лабораторные исследования изнашивания и тяговых характеристик лезвий почвообрабатывающих рабочих органов. Определили, что на целинных и залежных землях более 30 процентов затрат энергии приходится на разрыв корневой системы растительного покрова.

Показали, что при полосном посеве лаповым сошником растения сои лучше ветвятся, причем ветви с листьями соседних рядков длительное время не смыкаются, скашивание растительности между полосами позволяет снизить общую численность сорняков, химическую нагрузку на посевы и обеспечивает экологическую безопасность продукции.

(Цель исследования) Определить параметры распределения семян лаповым сошником по площади полосы посева и глубине заделки семян, установить влияние видов сошников на засоренность посевов и урожайность сои после различных предшественников.

(Материалы и методы) Изучили равномерность распределения семян сои лаповым сошником на поверхности желобковой ванночки, липкой ленты и в почве по показателям: ширине разброса, числу семян на единице площади и глубине заделки. Провели сравнительный полевой эксперимент, в разные по метеорологическим условиям годы на типичной луговой черноземовидной почве осуществили посев сои сеялками с сошниками двух конструкций после различных предшественников: пара, пшеницы и сои.

(Результаты и обсуждение) Показали, что почве канала на глубине 0,05 метра лаповый сошник обеспечивает заданную ширину полосы посева 0,18-0,20 метра. Определили отклонение от равномерности распределения высеянных семян по площади, которое составило 0,93-1,56 процента. Выявили, что полосной посев лаповым сошником и дальнейшее скашивание сорных растений между полосами снижают засоренность посевов сои после пара на 67,7 процента, после пшеницы – на 66,5 процента и после сои – на 65,4 процента, повышая ее урожайность в сравнении с рядовым посевом дисковым сошником.

(Выводы) Установили закономерное увеличение урожайности сои при посеве лаповым сошником: после чистого пара – на 0,59 тонны с гектара, после пшеницы – на 0,51, после сои – на 0,21 тонны. Предложили для выращивания экологически безопасных семян сои в условиях Приамурья использовать сеялки с лаповыми сошниками шириной 0,2 метра, расстановленными на расстоянии 0,6 метра друг от друга.

Разработка подпрограммы «Развитие селекции и семеноводства кукурузы» в рамках Федеральной научно-технической программы развития сельского хозяйства на 2017-2025 годы предопределяет необходимость интенсивного технического оснащения отрасли специализированной отечественной селекционной техникой.

(Цель исследования) Проанализировать технический уровень устройств для механизации работ в селекции, сортоиспытании и первичном семеноводстве кукурузы, выявить основные направления развития сельскохозяйственной техники.

(Материалы и методы) Исследовали материалы, опубликованные в периодической печати, статистические данные Минсельхоза России и Росстата, информационные материалы российских и зарубежных компаний, нормативно-правовую базу. Использовали методы комплексного структурно-динамического анализа и экспертно-аналитический способ обработки информации.

(Результаты и обсуждение) Установили наличие импортозависимости отечественной селекции и семеноводства от поставок зарубежной техники: при оснащенности селекционных учреждений средствами механизации около 50 процентов доля иностранных машин и оборудования достигает 70 процентов. Выявили основные проблемы в механизации селекции и семеноводства кукурузы. Первая – отсутствие производства отечественных сеялок для посева на первом этапе селекции, имеющих параметры: тяговый класс – 0,2; ширина междурядья – до 0,7 метра, число высевающих секций – 1 и 2; расстояние между сошниками – 0,7 метра. Вторая – дефицит отечественных сеялок для посева на втором этапе селекции с требуемыми параметрами: тяговый класс – 0,6; 1,4; 2,0; ширина междурядья – 0,7 метра; число высевающих секций – 4 и 6; расстояние между крайними сошниками – 2,1; 3,5 м. Третья проблема – недостаток отечественной техники для уборки урожая, соответствующей требованиям: ширина междурядья – 0,7 метра; ширина захвата – 1,4 и 2,8 метра; ширина – 1,8 или 3,2 метра; радиус поворота – 7,5 метра.

(Выводы) Выявили, что технический уровень устройств для механизации работ в селекции, сортоиспытании и первичном семеноводстве кукурузы не отвечает параметрам комплексного подхода при обосновании и разработке специализированной техники. Отметили необходимость разработки следующих отечественных технических средств: посевных машины для посева питомников первого этапа; маркеров; малогабаритных опрыскивателей; двухрядного прокосчика-измельчителя отцовских форм кукурузы.