Статья: История становления и развития научных школ по механизации сельского хозяйства Башкирского государственного аграрного университета (2026)

Статья посвящена историческому анализу развития техники и рабочих органов для приготовления кормов. (Цель исследования) Выявление ключевых периодов в развитии техники для животноводства и классификация рабочих органов современных смесителей-кормораздатчиков. (Материалы и методы) Исследование выполнено на основе историко-научных источников и информационных материалов с использованием аналитического метода. (Результаты и обсуждение) В развитии техники для кормопроизводства выделены четыре основных периода: доиндустриальный, первичной механизации, комплексной механизации, автоматизации и роботизации. Технологическая база в доиндустриальный период (до конца XVIII века) ограничивалась ручным трудом. С XIX до середины XX века наблюдается технологический рывок, характеризуемый первичной механизацией орудий и созданием машин с механическим приводом. Начат выпуск серий машин для конкретных операций. На ранних стадиях комплексной механизации кормораздаточной техники (1950-1980-е годы) использовались стационарные и передвижные транспортеры, требовавшие участия персонала. С 1990-х годов развитие технологий сопровождалось применением машин, совмещающих приготовление и раздачу кормов. Технологическая трансформация отрасли с конца ХХ века по настоящее время происходит в направлении автоматизации и роботизации с использованием интеллектуальных систем, объединяющих точное дозирование, адаптивное смешивание корма и системы технического зрения, обеспечивающие точную раздачу корма. Проведенный анализ современной техники позволил составить классификацию рабочих органов смесителей-кормораздатчиков. (Выводы) На основе исторического анализа установлена последовательность четырех технологических периодов. Каждый период характеризовался новым уровнем интеграции и источником применяемой энергии. Развитие рабочих органов происходило по пути совершенствования от простых однофункциональных к комбинированным (шнек-нож). Разработанная классификация рабочих органов смесителей-кормораздатчиков позволяет систематизировать основные конструктивные формы ножей. Необходимость импортозамещения формирует актуальную научно-техническую задачу создания конкурентоспособных отечественных рабочих органов, материалов для них и эффективных упрочняющих технологий.

Совершенство техники для внесения минеральных удобрений и химических средств защиты растений является важным условием их эффективности и безопасного применения. (Цель исследования) Провести ретроспективный анализ развития технических средств для внесения минеральных удобрений и химической защиты растений. (Материалы и методы) Изучили монографии, оригинальные и обзорные научные публикации, техническую документацию с использованием хронологического, генетического и описательного методов. (Результаты и обсуждение) Показали, что формирование направлений развития техники для применения минеральных удобрений связано с постепенным освоением разных типов внесения, а опрыскивателей как важнейшего технического средства защиты растений – по мере внедрения разных принципов распыления жидкости. При этом границы между типами и группами сельскохозяйственных машин становятся все более условными. Представили материал о вкладе отечественных ученых и специалистов (А. П. фон Пошмана, А. Е. Зайкевича, Ф. М. Соловья) в совершенствование техники химизации. Выявили присущее как разбрасывателям минеральных удобрений, так и опрыскивателям увеличение параметров ширины захвата, рабочей скорости и производительности по мере углубления химизации. (Выводы) Развитие техники для применения минеральных удобрений и химических средств защиты растений происходило от примитивных приспособлений и машин к автоматизированным и автоматическим адаптивным техническим средствам точного земледелия, основанным на широком внедрении цифровых и роботизированных устройств, возможностей искусственного интеллекта. В ближайшей перспективе технический уровень этих групп машин будет связан не столько с коренными конструкционными изменениями, сколько с внедрением идеологии точного земледелия.

Отметили, что традиционная обработка почвы с использованием плугов разной модификации приводит к чрезмерному рыхлению. В результате разрушается структура почвы, гибнет почвенная микрофлора, происходят эрозия и смыв плодородного слоя. Для предотвращения негативных процессов в почве в мировой практике земледелия широко применяются технологии минимальной обработки почвы. (Цель исследования) Разработка комбинированного агрегата с универсальными рабочими органами, позволяющими увеличить функциональные возможности обработки почвы и улучшить качество операций. (Материалы и методы) Универсальные рабочие органы выполнены в виде лап культиватора с треугольным рыхлителем почвы сверху и треугольным щелевателелем снизу. Длина платформ под рабочие органы и заглушек вдвое меньшей длины оснований рыхлителя и щелевателя. Высота рыхлителей на 1/3 меньше высоты щелевателей, угол атаки плоской лапы составляет 10-15 градусов, укол наклона режущих частей к поверхности лапы рыхлителя 35 градусов, щелевателя – 25 градусов. Соотношение толщины рабочих органов к толщине крыла равно 1:3. Ширина ка- ждой платформы равна ширине паза под нее и в четыре раза больше толщины каждого рабочего органа. (Результаты и обсуждение) Установили, что при движении комбинированного почвообрабатывающего агрегата лапы культиватора подрезают почву, уничтожая сорную растительность. Одновременное воздействие рыхлителей и щелевателей способствует регулированию водно-воздушного баланса в почве. (Выводы) Предлагаемая конструкция комбинированного агрегата с универсальными рабочими органами позволяет одновременно выполнять несколько операций: рыхление, щелевание и культивацию почвы с уничтожением сорной растительности. Финишная обработка и уплотнение почвы позволяют улучшить качество и увеличить экономическую эффективность обработки.

Отметили, что при разработке нового рабочего органа параметры и режимы его функционирования необходимо определять комплексно с использованием согласованных между собой зависимостей. Должны быть учтены не только форма рабочего органа, но и физико-механические свойства почвенной среды, которые не однородны, устойчивый ход работы, а также выполнены требуемые качественные и энергетические показатели технологического процесса. (Цель исследования) Разработка противоэрозионного глубокорыхлителя, извлекающего комки на поверхность почвы. (Материалы и методы) Рабочий орган нового типа предназначен для основной обработки почвы и глубокого (свыше 25 сантиметров) рыхления без оборота пласта с образованием кротовин при противоэрозионной обработке почвы. Представлена схема взаимодействия рабочего органа с почвой. (Результаты и обсуждение) Научную новизну исследований представляют зависимости взаимосвязи параметров и режимов функционирования нового рабочего органа в процессе взаимодействия с объектом. С использованием этих зависимостей разработана методика инженерного расчета рабочего органа в виде усиленных прутков при взаимодействии с поверхностями. Обоснованы способ движения пласта почвы и варианты его разрушения при взаимодействии с вторичными плоскостями разрушения, которые возникают в процессе подъема почвы. (Выводы) Установлены параметры и режимы функционирования нового рабочего органа глубокорыхлителя: проходной размер между прутками в начале процесса схода пласта должен быть не более 50 миллиметров. Для оптимальной траектории комка почвы форма прутка должна соответствовать уравнению брахистохроны первого порядка (циклоиды), длина прутка рабочего органа глубокорыхлителя составляет от 0 до 0,4 метра.

Подготовка почвы перед посадкой составляет ключевой этап возделывания картофеля. Применение рыхлительного барабана машины-сепаратора приводит к снижению повреждения клубней при уборке. Рассмотрен экспериметальный подход к изучению характера собственных частот колебаний рыхлительного барабана на примере машины-сепаратора в эксплуатационных условиях. (Цель исследования) Исследовать закономерности изменения динамических нагрузок рабочих органов почвообрабатывающих машин методом тензометрирования и осциллографирования колебательных процессов вращающих звеньев сепаратора-отделителя комков почвы. (Материалы и методы) Для определения частот собственных колебаний комкоразрущающих рабочих органов машины-сепаратора использовали метод инерционного возбуждения. В лабораторных условиях был изготовлен специальный стенд, состоящий из электродвигателя постянного тока типа МГП-35, выпрямителя с реостатом и тензометрической балки. Во время эксперимента для определения собственной частоты рыхлительного барабана на жестко закрепленном на валу барабана кронштейну был установлен вибратор. Приведенная схема тензометрирования вращающихся узлов сепаратора-отделителя комков почвы позволяет проводить измерения с минимальной погрешностью. Колебания узла регистрировались с использованием тензометрической балки в виде консольной пластинки из пружинистой стали, на боковые поверхности которой наклеены два тензорезистора с базой 20 миллиметров и сопротивлением каждого 200 Ом. (Результаты и обсуждение) При определении частоты собственных колебаний рыхлительного барабана вибратор крепился к звездочке z = 40 привода барабана. А при определении частоты собственных колебаний первого и второго валов сепарирующего транспортера вибратор крепился к звездочке z = 13 привода транспортеров. Тензорезисторы воспринимали деформацию изгиба пластинки, электрические сигналы поступали к усилителю и гальванометру осциллографа с непрерывной записью осциллограмм, возбуждаемых электродвигателем крутильных колебаний. (Выводы) Экспериментально установлено, что графики крутильных колебаний на узле ведущего и ведомого вала элеватора и рыхлительного барабана представляют синусоиду с периодом Т = 0,053 секунды.

Отметили, что в применении беспилотных технологий важную роль играет планирование пути агрегата. Машинно- тракторные агрегаты (МТА), оснащенные автоматизированными системами управления и навесными сельскохозяйственными машинами, способны выполнять оригинальные способы движения и повороты на поле, в том числе реверсивное движение на склонах. На мелкоконтурных участках процент холостых ходов достаточно велик, и за счет минимизации пути или времени поворота можно увеличить производительность агротехнических приемов. (Цель исследования) Рассчитать оптимальный поворот при реверсивном движении автоматизированного машинно-тракторного агрегата. (Материалы и методы) Расчет оптимального движения на поворотной полосе для повышения эксплуатационной эффективности МТА является важной частью планирования маршрута. На ограниченном пространстве расчет оптимальной траектории поворота представляет собой сложную задачу динамической нелинейной оптимизации, трудно разрешимую традиционными численными методами. Рассмотрены дифференциальные уравнения Лагранжа второго рода для криволинейного движения МТА в декартовой системе. Однако решения этой системы уравнений, определяющие семейство «игольчатых разворотов» реверсивного движения, будут постоянно ограничены. Для расчета короткого поворота в ограниченных условиях использовался метод оптимизации поворотной полосы. (Результаты и обсуждение) Разработаны кинематические модели МТА с роторной косилкой и сформулированы проблемы оптимизации движения на поворотной полосе с учетом эксплуатационных ограничений. Рассмотрены сценарии поворота от симметричного до несимметричного игольчатого и выбран оптимальный. Благодаря интеграции модели МТА в технологический процесс путем оптимизации на сельскохозяйственном участке был получен и рассчитан для заданных условий эксплуатации альтернативный вариант – фасонный поворот с определенными параметрами. (Выводы) Аналитические исследования автоматизированного МТА с косилкой показали, что значения эксплуатационных и геометрических показателей для фасонного поворота укладываются в минимальную ширину разворота 3,65 метра и длину пути 7,74 метра (характеристики мини-трактора «Уралец 22» и роторной косилки Н-17).

В условиях интенсификации сельского хозяйства особенно важна надежность техники для защиты растений. К уязвимым узлам опрыскивателей относятся распылители. Выход распрыскивателей из строя связан с интенсивным износом форсунок, что приводит к перерасходу рабочей жидкости и экологическим рискам. Возможность получения композита для изготовления отечественных распылителей состоит в повышении износостойкости полиацеталя путем введения карбида кремния. (Цель исследования) Изучение процесса смешения компонентов композита при плавлении в литьевой машине во время изготовления распылителя сельскохозяйственного опрыскивателя. (Материалы и методы) Ранее проведенные работы показали, что использование карбида кремния в качестве дисперсного наполнителя позволяет повысить износостойкость и увеличить срок службы распылителей. В данной работе, посвященной исследованию технологии изготовления распылителя, использована имитация процесса плавления композита полиацеталкарбид кремния в литьевой машине с помощью синхронного термического анализатора (СТА). Методика опыта включает получение СТА-кривых процесса плавления с последующей обработкой в среде OriginPro 8 и анализ результатов. (Результаты и обсуждение) Предложена методика изучения поведения наполнителя в процессе плавления композита при изготовлении изделия. Наблюдение за изменением хода процесса плавления при вводе наполнителя позволило установить его влияние на технологию изготовления. (Выводы) Показано взаимодействие карбида кремния с матрицей полиацеталя с точки зрения как влияния наполнителя на сами макромолекулы, так и участия в процессе кристаллизации в качестве зародышей кристаллов. Таким образом установлены особенности технологии изготовления распылителей из композита полиацеталь-карбид кремния.

Одной из серьезных проблем механизации отечественной селекции остается недостаточный уровень технического оснащения системами автоматического управления рабочими органами, в том числе с элементами искусственного интеллекта. В технологии механизированной уборки большая часть регулировок параметров под изменяющиеся условия уборки осуществляется механизатором вручную. В связи с этим актуальна разработка методов автоматического регулирования параметров рабочих органов для повышения точности уборки на протяжении всего уборочного процесса, в том числе для селекционных зерноуборочных комбайнов, где особенно важно минимизировать потери и повреждение семенного материала. (Цель исследования) Определить области допустимых значений параметров рабочих органов селекционного зерноуборочного комбайна на основе оценки характеристик хлебостоя методом математического моделирования. (Материалы и методы) Определение математических зависимостей взаимосвязанных параметров линейного хода комбайна и частоты работы режущего аппарата, получение области допустимых значений графическим способом. (Результаты и обсуждение) Математически и графически определены области допустимых значений параметров рабочих органов селекционного зерноуборочного комбайна на основе оценки характеристик хлебостоя с учетом диапазонов работы комбайна и плотности хлебостоя: скорости движения комбайна от 1 до 2 метров в секунду, частоты работы режущего аппарата 200-800 оборотов в минуту, плотность хлебостоя 200-600 стеблей на один метр квадратный. Сформулированы и визуализированы зависимости между параметрами хлебостоя и режимами работы комбайна, что позволяет определить область допустимых значений. (Выводы) Полученные модели могут быть использованы в разрабатываемых интеллектуальных системах управления жатвенной частью и скоростью комбайна для повышения эффективности уборки и минимизации потерь. Подтверждена применимость модели для реализации в системах автоматизированного регулирования в реальных условиях.

В условиях импортозамещения необходимо усилить развитие селекции зерновых и других культур для создания новых сортов и наращивания объемов семенного материала. Роботизация техники в растениеводстве позволит быстрее справиться с данной задачей путем снижения затрат на ручной труд и повышения производительности на втором и третьем этапах селекционных работ. (Цель исследования) Создание робота для подачи семян в высевающий аппарат селекционной сеялки и выработка рекомендаций по его применению. (Материалы и методы) Робот разработан в соответствии с требованиями стандартов при посеве зерновых, зернобобовых и других культур на селекционных делянках. Предложен метод для определения применения одно- или многоуровневого робота для подачи семян в зависимости от площади селекционного участка. (Результаты и обсуждение) Разработали конструкционную схему и алгоритм действия робота карусельного типа, который может быть интегрирован в селекционные кассетные сеялки разных типов. Выведена формула применения робота для подачи семян в зависимости от параметров селекционного участка и требуемого количества кассет. (Выводы) Лабораторные исследования с использованием роботизированного кассетного загрузочного устройства или робота для подачи семян вместо выполнения операции вручную на втором и третьем этапах селекционных работ показали возможность сократить время посева на 12 процентов, увеличить производительность на 20-30 процентов.

Отметили, что при выращивании сельскохозяйственных культур в защищенном грунте затраты на электронергию составляют около 20 процентов себестоимости продукции растениеводства. Определению эффективного спектра излучения для конкретных культур посвящены многие исследования. Вместе с тем, учитывая световую и темновую стадии фотосинтеза, можно предложить энергосберегающий импульсный режим облучения, сохраняющий продуктивность растений и не уменьшающий срок службы светодиодных облучательных установок (LED ОУ). (Цель исследования) Разработать цифровые инженерно-технические решения для реализации энергосберегающей технологии облучения растений RGB светодиодными облучательными установками. (Материалы и методы) Разработана автоматизированная цифровая система управления RGB LED светодиодных облучателей. Длительность светового импульса и темнового периода в режиме реального времени задается по беспроводной связи Bluetooth с подключением к микроконтроллеру модуля Bluetooth HC-05 и управляется через мобильное приложение Bluetooth Electronics. Используется язык программирования C++. (Результаты и обсуждение) Эксперименты показали, что самое быстрое развитие растений наблюдалось в режиме длительности импульса света 1 секунда и паузы 0,5 секунды. Эффект подтверждается разницей по сравнению с контролем (100 процентов) площади листьев в конце и в начале эксперимента (приблизительно 108 процентов). Потребленная электроэнергия при работе RGB LED светодиодных облучателей по 16 часов в энергосберегающем режиме составит около 78 процентов от контрольного значения, принятого за 100 процентов. (Выводы) Разработанные цифровые инженерно-технические решения для реализации энергосберегающей технологии облучения растений в RGB LED установках позволяют экономить электроэнергию при сохранении продуктивности растений.

Показали целесообразность использования на крупных животноводческих фермах и комплексах России роторно-конвейерных доильных установок карусельного типа. Для вращения платформ используются мотор-редукторы с приводными полиуретановыми колесами, взаимодействующими посредством фрикционного контакта с металлическими профилями, изогнутыми по дуге окружности платформы. Для исключения приводных и опорных колес движителей системы рельс-колесо и связанных с этим трудовых и денежных затрат по их замене в результате износа рассмотрели возможность использования технологии магнитного подвеса и разработки энергосберегающего магнитного привода. (Цель исследования) Создание левитирующей модели доильной платформы карусельного типа. (Материалы и методы) За основу предложили взять ранее разработанную технологическую схему с использованием аксиально намагниченных постоянных магнитов прямоугольной формы. Рассмотрели технологическую схему привода для платформы на 36 доильных мест с использованием цилиндрической магнитной передачи с внешним зацеплением, получили основное уравнение динамики ее вращательного движения. (Результаты и обсуждение) Исходя из динамического расчета вращающейся платформы, определили момент инерции вращающейся платформы с животными, окружное усилие, вращающие моменты на ведущем и ведомом колесах, их угловые скорости, зависимость углового ускорения платформы от времени ее разгона. (Выводы) Обоснованы топологические (установочные воздушные зазоры и шаги расположения магнитов на ведущем и ведомом колесах платформы) и кинематические параметры (углы зацепления, радиусы ведущего и ведомого колеса) цилиндрической магнитной передачи. Проведен магнитостатический расчет с определением нормальной и тангенциальной составляющих сил магнитного взаимодействия, разработан алгоритм расчета цилиндрической магнитной передачи с определением параметров магнитного поля и размеров постоянных магнитов для привода левитирующей доильной платформы типа «Карусель».