Аэрофотосъемку с помощью беспилотных летательных аппаратов и мультиспектральной камеры применяют для мониторинга состояния посевов и прогноза развития сельскохозяйственных культур. В результате операций со значениями различных спектральных длин волн эмпирически подбирают и рассчитывают вегетационные индексы, составляя карты. При оценке состояния посевов необходимо определять лимитирующие факторы применения вегетационных индексов.

(Цель исследования) Проанализировать, оценить и выбрать вегетационные индексы для проведения оперативного, качественного и комплексного мониторинга состояния сельскохозяйственных культур и формирования оптимальных управленческих решений.

(Материалы и методы) Изучили результаты научных исследований в области технологий дистанционного зондирования с использованием беспилотных летательных аппаратов и мультиспектральных камер, а также опыт применения вегетационных индексов для оценки состояния сельскохозяйственных культур в системе точного земледелия. Определили лимитирующие факторы для исследования вегетационных индексов: ограниченное количество монохромных камер в популярных мультиспектральных камерах; основные показатели для мониторинга сельскохозяйственных культур, необходимые агрономам. После обработки аэрофотоснимков с беспилотного летательного аппарата создали высокоточный ортофотоплан, цифровую модель поля и карты вегетационных индексов.

(Результаты и обсуждение) Обнаружили более 150 вегетационных индексов. Не все их них создавались путем наблюдений и экспериментов. Рассмотрели широкополосные вегетационные индексы для оценки состояния посевов на полях. Проанализировали вегетационные индексы посевов сои и озимой пшеницы в основных фазах вегетации.

(Выводы) Выявили, что каждый вегетационный индекс имеет свою специфическую сферу применения, ограничивающие факторы и используется как отдельно, так и в комплексе с другими индексами. Рекомендовали при расчете вегетационных индексов для практического применения руководствоваться техническими характеристиками мультиспектральных камер и учитывать эффективность применения индекса на различных стадиях вегетации.

Для высева мелких семян овощей, в частности лука, используют специальные сеялки. В Республике Узбекистан их не производят, в то время как за рубежом выпускают множество различных пневматических сеялок. Отметили, что зарубежные образцы сложны по конструкции, не приспособлены к местным почвенно-климатическим условиям, не могут обеспечить равномерную заделку семян на гребнях, а стоимость самих сеялок и сервисного обслуживания очень высока.

(Цель исследований) Разработать овощную сеялку применительно к почвенно-климатическим условиям Узбекистана, определить нормы высева семян лука в зависимости от длины активной части высевающей катушки, оценить качество формирования посевных гребней и поливных борозд.

(Материалы и методы) Норму высева определяли путем прокручивания опорно-приводного колеса сеялки при заданной длине активной части высевающей катушки и сбора высеваемых семян в стаканчики с дальнейшим взвешиванием. Качество формирования посевных гребней и поливных борозд оценивали методом профилирования поля до и после прохода сеялки.

(Результаты и обсуждение) Разработали овощную сеялку, выполняющую за один проход три операции: нарезку поливных борозд, формирование посевных гребней трапецеидальной формы и сев семян лука и других мелкосеменных овощных культур ленточным способом тремя рядами в каждой ленте. Выявили, что зависимость нормы высева от длины активной части катушки имеет слабовыраженную параболическую форму, а требуемые нормы высева – 24-48 штук на погонный метр (3,9-7,8 килограмма на гектар) – гарантированы при длине высевающей катушки 3,3-6,2 миллиметра. Доказали, что сеялка обеспечивает качественное образование посевных гребней и поливных борозд: ширина междурядий составила 68,8 сантиметра (установочная – 70 сантиметров), ширина гребней по верху равна 42,5 сантиметра (заданная – 40 сантиметров), глубина поливных борозд составила в среднем 9,6 сантиметра.

(Выводы) Разработали овощную сеялку для сева мелкосеменных овощных культур с одновременным формированием посевных гребней и нарезкой поливных борозд, обеспечивающую качественное выполнение всех операций и соблюдение норм высева семян лука

Определили основные факторы, существенно повлиявшие на технологическое обеспечение процессов послеуборочной обработки в течение нескольких десятилетий. Показали, что в последние годы перед многими хозяйствами встала необходимость решения проблемы повышения качества семян и уменьшения их потерь в процессе послеуборочной обработки зерна в кратчайшие сроки.

(Цель исследований) Провести исторический анализ машинных технологий послеуборочной обработки зерна и подготовки семян и определить перспективные направления их развития.

(Материалы и методы) Использовали историко-аналитический метод в приложении к техническим системам, в частности к технологи-ям послеуборочной обработки зерна и подготовки семян. Объекты исследований – оригинальные работы отечественных и зарубежных авторов за более чем 100-летний период и другая нормативно-техническая документация.

(Результаты и обсуждение) Представили результаты эволюции машинных технологий послеуборочной обработки зерна и подготовки семян в РФ в течение последних 100 лет. Рассмотрели научные, технологические, технические и организационные вопросы развития машинных технологий обработки зерна и подготовки семян. Определили, что научные основы создания отечественных сепарирующих машин были разработаны в 30-е годы прошлого века. Отметили, что в 1934 году создана и поставлена на производство первая отечественная передвижная зерноочистительная машина производительностью 10 тонн в час на очистке зерна и 6-8 тонн в час – на очистке семян. Выявили последующие ключевые этапы: в 60-х годах разработана поточная технология послеуборочной обработки зерна; к концу 70-х годов с завершением работ по созданию агрегатов и комплексов все процессы послеуборочной обработки зерна впервые в стране были полностью механизированы.

(Выводы) Доказали, что производительность труда в отрасли повысилась в 7-10 раз, в 2-3 раза снизилась стоимость обработки зерна, сократились его потери, ручной, неквалифицированный труд был исключен. Определили перспективные направления развития технологий обработки зерна и подготовки семян.

Исследовали гравитационный способ сепарации зернового вороха, при котором очистка от крупных и мелких примесей осуществляется без затрат электроэнергии, при самотечном движении материала в вертикальных очистительных колонках по неподвижным зигзагообразно размещенным сепарирующим гребенкам.

(Цель исследования) Изучить работу гравитационной колонки на очистке селекционных семян и обосновать ее конструктивные параметры.

(Материалы и методы) Разработали макетный образец гравитационной колонки. Экспериментально определили: диаметр зубьев гребенок; пропускную способность колонки; возможность более полного выделения из исходного материала фракции «семена»; полноту выделения крупных примесей. Сравнили работу гравитационной колонки и плоского качающегося решета. Оценили заклинивание гребенок семенами очищаемой культуры.

(Результаты и обсуждение) Отметили, что на очистке пшеницы при производительности 45,6 килограмма в час выход фракции «отход» составил 0,5 процента, потери 0,07 процента, а при производительности 227,8 килограмма в час, соответственно, 0,98 и 0,35 процента, что отвечает исходным требованиям на основные технологические операции для послеуборочной обработки селекционных семян.

(Выводы) Установили, что гравитационная колонка для выделения мелких примесей селекционных семян пшеницы с высокой эффективностью разделяет частицы, если они отличаются друг от друга по толщине не менее 0,3 миллиметра при зазоре между прутками гребенки 2,0 миллиметра и диаметре поперечного сечения прутка 0,9 миллиметра. Определили, что высокая производительность – до 150 килограммов в час – возможна при поперечном сечении колонки со сторонами 60 и 70 миллиметров. Выявили практически одинаковое качество разделения материала при выделении мелких примесей с помощью как решета, так и гравитационной колонки.

Показали, что снизить токсичность отработанных газов и повысить эффективность работы тракторов можно с помощью электроприводного силового агрегата для реализации тягового усилия. Коэффициент полезного действия современных электродвигателей достигает в пике 96 процентов, по сравнению с 45 у дизельного двигателя. Подчеркнули, что этот параметр для современных источников электрической энергии равен 85-90 процентам, что открывает возможности для реализации электрической тяги на тракторах.

(Цель исследования) Представить общую концепцию электроприводного силового агрегата для трактора малого тягового класса и оценить его параметры в первом приближении.

(Материалы и методы) Для электропривода трактора в качестве источника электрической энергии выбрали литий-ионные аккумуляторы, показывающие лучшие характеристики энергоемкости – 432-864 килоджоуля на килограмм при удельной стоимости 4200-17400 рублей на килограмм. В ходе анализа типов привода силового агрегата рассмотрели дизельный двигатель Д-120 мощностью 20 киловатт, электродвигатель постоянного тока и асинхронный двигатель с аналогичными параметрами. В качестве основы для расчета взяли трактор ВТЗ-2032 с номинальным тяговым усилием 6000 ньютонов при работе на стерне. (Результаты и обсуждение) Выявили лучшие показатели электропривода вследствие более широкого нагрузочного диапазона характеристик на передачах при снижении удельных затрат на киловатт-час с 24 до 15-16 рублей.

(Выводы) Определили наиболее эффективный двигатель – электрический бесщеточный постоянного тока. Рассчитали, что удельная стоимость его энергии в 1,5-1,8 раза меньше, чем у дизельного двигателя, и составляет 15- 27 рублей на киловатт-час при максимальной эффективности 95 процентов. Установили, что оптимальным решением для питания электропривода будут литий-ионные аккумуляторы. Они отличаются высокой удельной энергоемкостью – 432- 864 килоджоуля на килограмм – и низкой ценой за единицу энергии, составляющей 5-45 рублей за килоджоуль

Одно из условий достижения максимальной урожайности сельскохозяйственных культур – оптимальная плотность почвы. В Амурской области экологические пороги уплотнения для зерновых культур составляют 1,0-1,24 грамма на кубический сантиметр, для сои – 1,09-1,25, что соответствует нормальному давлению 80-120 килопаскалей в зависимости от влажности почвы. Показали, что применяемые в Амурской области тракторы, воздействуя на почву, превышают экологический порог уплотнения.

(Цель исследования) Обосновать экологическую совместимость мобильной полевой энергетики, в первую очередь тракторов, занятых на полевых работах, по уплотняющему воздействию от передаваемой их движителями нормальной нагрузки на почву.

(Материалы и методы) Проанализировали экспериментальные данные изменения плотности, твердости и сопротивления почвы обработке. Получили эмпирическую зависимость для расчета прироста сопротивления обработке почвы от уплотняющей нагрузки в слое 0-20 сантиметров.

(Результаты и обсуждение) Установили рост сопротивления вспашке на 12-25 процентов при нормальной нагрузке 138-170 килопаскалей, передаваемой движителями машин, что соответствует плотности почвы 1,25-1,30 грамма на кубический сантиметр; при нагрузке 180-250 килопаскалей сопротивление увеличивается на 43-50 процентов, что эквивалентно плотности почвы 1,30-1,35 грамма на кубический сантиметр; при давлении 300-350 килопаскалей эти показатели повышаются на 60-67 процентов и до 1,40-1,45 грамма на кубический сантиметр; а при 400 килопаскалях выявили рост сопротивления на 70-90 процентов, что сравнимо с плотностью 1,48 грамма на кубический сантиметр.

(Выводы) Определили, что предельное значение нормального давления под движителями машин на полевых работах следует ограничить до 150-175 килопаскалей. Установили экологический порог нормального давления – не более 120-135 килопаскалей при влажности почвы 20-23 процента, что сравнимо с плотностью почвы 1,2-1,25 грамма на кубический сантиметр. Рассчитали предельное значение нормального давления движителя на почву – 350 паскалей, что соответствует критическому уплотнению почвы 1,30 грамма на кубический сантиметр.

Показали, что главное условие оценки уборочно-транспортного комплекса – снижение издержек при уборке и транспортировке урожая зерновых.

(Цель исследования) Оценить технико-экономические показатели и эксплуатационные свойства зарубежных зерноуборочных комбайнов и их влияние на производительность всего уборочно-транспортного комплекса. На основании статистических данных, полученных во время сбора информации, рассчитать показатели, которые влияют на управление работой уборочно-транспортного комплекса.

(Материалы и методы) Использовали статистические материалы по работе зерноуборочных комбайнов, транспортных средств на отвозке. Учитывали технические характеристики зерноуборочных комбайнов и транспортных средств. Рассмотрели элементы теории вероятностей для формирования состава уборочно-транспортного комплекса. Исследования провели одновременно в двух структурных подразделениях сельскохозяйственной организации, находящихся друг от друга на расстоянии 19-20 километров. Применяли методы: экономико-статистический, прогнозирования, экономико-математического моделирования, экспертных оценок и другие.

(Результаты и обсуждение) Получили 89 значений по показателю «Время заполнения бункера зерноуборочного комбайна», 45 – по критерию «Время ожидания загрузки транспортным средством». Рассчитали математическое ожидание первого показателя: в первом уборочном отряде для Tucano 450 – 22,68 минуты; Mega 370 – 20,74 минуты; для Tucano 450 из второго уборочного отряда – 19,24 минуты.

(Выводы) Выявили особенности формирования уборочно-транспортных комплексов, состоящих из зарубежных зерноуборочных комбайнов и транспортных средств. Определили производительность, качественные показатели технологического процесса обмолота зерновых культур и урожайность, при которых использование зарубежных зерноуборочных комбайнов становится экономически целесообразным.

Цифровой двойник представляет собой виртуальную модель рабочего органа земледельческого орудия, позволяющую рассчитать и предвидеть его ожидаемое поведение в период всего срока эксплуатации.

(Цель исследования) Разработать алгоритм последовательных моделей, составляющих цифровой двойник рабочего органа земледельческого орудия.

(Материалы и методы) Первую составляющую алгоритма цифрового двойника определили методом ускоренных имитационных нагружений рабочего органа клина-рыхлителя, принятого в качестве объекта исследования. Вторую составляющую выявили методом тестирования различных почв с определением силовых эквивалентов. При описании последующих составляющих учитывали физико-механические свойства почв и материалы (упрочнения) для изготовления рабочих органов.

(Результаты и обсуждение) Показали, что алгоритм построения цифрового двойника рабочего органа земледельческого орудия складывается из цепочки последовательных действий и представляет систему цифрового описания рабочего органа, обеспечивающую нормативный срок службы при эксплуатации. В качестве первой составляющей алгоритма приняли результаты имитационного погружения, которые регистрируют характер распределения нормальных сил по поверхностям трения. Во второй составляющей учитывали результаты определения силового эквивалента при нагружении рабочего органа в условиях реальной почвенной среды. Выявили возможность построения карт интенсивностей абразивного износа поверхности трения, прогнозных расчетов элементов конструкции. Третью и четвертую составляющие применяли для обеспечения нормативного срока службы рабочего органа, исходя из минимальных затрат при изготовлении, соотнесенных к единице выработки нормативного ресурса.

(Выводы) Полученный алгоритм построения цифрового двойника – удобный инструмент при создании новых конструкций рабочих органов земледельческих орудий.

Правильно подобранная система позиционирования для управления движением мобильного робототехнического средства обеспечивает высокую точность позиционирования роботизированной платформы на территории сада, позволяет автоматизировать точные операции в саду и систематизировать алгоритмы построения маршрута.

(Цель исследования) Обосновать рациональный выбор системы позиционирования для управления движением мобильного робототехнического средства.

(Материалы и методы) Сформировали требования к системе позиционирования для выполнения точных операций в саду, а именно: механизированный сбор плодов и ягод, дифференцированное внесение удобрений и средств химической защиты растений. Назвали основные из них: погрешность определения местоположения не более 5 сантиметров, устойчивость передачи информации на сервер для построения карт движения, движение робототехнического средства по заданной траектории, оснащение маяков мобильным источником питания емкостью не менее 800 миллиампер-час, обмен информацией между маяком и встроенным в робототехническое средство микропроцессорным контроллером по стандарту RS-485, площадь покрытия сигнала не менее 100 квадратных метров. (Результаты и обсуждение) Описали шесть наиболее актуальных систем позиционирования следующих производителей: RealTrac, Русофт ЦКТ, Неоматика, ISBC, Avtosensor, Marvelmind. Сравнили их технические и эксплуатационные параметры: рабочие частоты, дальность действия, интерфейс передачи данных, точность определения местоположения и стоимость готовых комплектов. Показали, что Marvelmind обеспечивает бесперебойную работу на частотах 433 и 915 мегагерц с погрешностью определения местоположения не более 2 сантиметров. Провели испытания на малогабаритном роботизированном транспортно-технологическом средстве со следующими характеристиками: максимальная транспортная скорость движения – 30 километров в час, эксплуатационная масса – 500 килограммов, длина 2 метра, ширина – 1,2 метра, высота – 1,6 метра.

(Выводы) Обосновали выбор наиболее подходящей и доступной системы позиционирования Marvelmind и экспериментально подтвердили заявленную производителем точность позиционирования. При движении по беспетлевому и петлевому повороту точность позиционирования не превысила 1,5 сантиметра, что соответствует агротехническими требованиям к механизированному сбору плодов и ягод, к дифференцированному внесению удобрений и средств химической защиты растений.

Экструдирование кормов обеспечивает высокое качество готового продукта.

(Цель исследования) Повысить долговечность элементов конструкции пресс-экструдера путем оптимизации их прочностных характеристик.

(Материалы и методы) Исследовали технологический принцип экструзии. Применили метод планирования эксперимента. Рассмотрели процесс работы пресс-экструдера со шнеком переменного шага при переработке чечевицы. Прочностные характеристики элементов пресс-экструдера проверяли в ходе проектировочного расчета или расчета на прочность.

(Результаты и обсуждение) Показали роль основных геометрических параметров шнека экструдера – наклона витка и шага нарезки – в приготовлении качественных зерновых кормов. Выявили, что шаг витка следует рассчитывать в зависимости от коэффициента трения исходного материала о корпус пресс-экструдера, вида и свойств подаваемого материала. Определили усталостные напряжения шнека как результат знакопостоянной нагрузки сдвига и температурных воздействий. Рассчитали мощность привода, производительность экструдера для уточнения характеристик шнека, а также гидравлическое сопротивление матричной выходной головки, расстояние технологических зон. Подтвердили, что сборная конструкция шнека, состоящая из участков с разным шагом витка, придает пресс-экструдеру универсальность.

(Выводы) Установили, что шпонка – один из наиболее нагруженных элементов конструкции шнека пресс-экструдера. Рассчитали максимальное расчетное напряжение от постоянной нагрузки – 26,98 мегапаскаля. Определили , что напряжение в поперечном сечении шпонки при температурном воздействии составило 591 мегапаскаль, что превысило предел текучести для выбранного материала, равный 360 мегапаскалям для стали 45. В ходе экспериментальных исследований получили значение ударной вязкости, которое соответствует стандартному показателю выбранной изначально марки стали (38 килоджоулей на кубометр), но не отвечает требованиям, предъявляемым к данному элементу конструкции (не менее 50 килоджоулей на кубометр).

Представили материал по оценке режимов работы и условий эксплуатации сельскохозяйственных машин с помощью разработанной учеными Федерального научного агроинженерного центра ВИМ системы контроля технического состояния. Показали пример применения бесконтактных датчиков на тракторе Kioti CK22 для оценки аварийного режима работы, который в последствии может привести к преждевременному отказу. Рассмотрели возможности наиболее рационального применения алгоритма дистанционного мониторинга к диагностированию – для выявления причин возникновения неисправностей.

(Цель исследования) Усовершенствовать существующие и разработать новые технологии дистанционной оценки текущего технического состояния машин на протяжении всей эксплуатации.

(Материалы и методы) Подтвердили, что разработанный учеными ВИМ алгоритм дистанционной системы мониторинга позволяет обеспечить автоматизированный контроль параметров технического состояния агрегатов и узлов машин. Эксплуатацию системы проводили на основе документирования фактов работы машины в аварийных или предаварийных режимах. Обеспечили контроль параметров в допустимых для них пределах.

(Результаты и обсуждение) Проанализировав причины отказов, установили исходную номенклатуру исследуемых процессов. Разработали алгоритм дистанционного мониторинга параметров, позволяющих оценить режимы работы машины. Проверили функциональность алгоритма на примере установки бесконтактных датчиков и бортового компьютера на трактор Kioti CK22.

(Выводы) При помощи установленной бортовой системы и 8 датчиков получили информацию, которая позволила оценить текущее техническое состояние трактора Kioti CK22 исходя из динамики 8 контролируемых параметров, характеризующих постепенное изменение функциональности машины/системы и влияющих на техническую и экологическую безопасность.