Архив статей

В конце XIX – начале XX века активно формировалась отечественная агроинженерная наука, которая занималась проблемами создания сельскохозяйственной техники. Внедрение в сельском хозяйстве новых технологий с учетом традиционных способов обработки земли было необходимо переводить на научную основу. Можно полагать, что история научного коллектива Института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства началась с организации в Санкт-Петербурге в 1907 году Бюро по сельскохозяйственной механике. (Цель исследования) Обобщить историко-научную информацию о зарождении и развитии агроинженерной науки в Санкт-Петербурге, отразить преемственность научных традиций в решении производственных задач по направлению «Агроэкология». (Материалы и методы) Анализ выполнен по публикациям, посвященным становлению в России науки по механизации земледелия, истории Государственного сельскохозяйственного музея, а также по материалам, подготовленным к 100-летию создания Бюро по сельскохозяйственной механике. (Результаты и обсуждение) Приведены основные этапы и имена ученых, внесших вклад в работу Бюро в 1907-1917 годах. В результате преобразований был создан Всесоюзный институт механизации сельского хозяйства (ВИМ). В 1930 году институт начал свою деятельность в Ленинграде, но вскоре его перевели в Москву, а в Ленинграде созданы филиалы ВИМ и ВИЭСХ, где продолжали трудиться бывшие члены Бюро. В 1962 году ленинградские филиалы объединили в самостоятельное учреждение – НИИМЭСХ Северо-Запада, а впоследствии – в научно-производственное объединение «Нечерноземагромаш» со штатом более 1200 сотрудников. В 2018 году учреждение вновь стало филиалом ВИМ с постановкой задачи комплексных научных исследований в области обеспечения экологической безопасности сельскохозяйственного производства. (Выводы) Важнейшим результатом многолетней истории коллектива является преемственность передачи знаний. В наши дни Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства в статусе филиала Федерального научного агроинженерного центра ВИМ продолжает славные традиции своего первого предшественника – Бюро по сельскохозяйственной механике и следует им для решения новых вызовов в сельскохозяйственной науке и практике.

Отметили, что в условиях нарастающих климатических изменений в регионах Российской Федерации в виде учащения засух, неравномерных осадков и роста температур технологии точного земледелия становятся важнейшим инструментом обеспечения устойчивости сельскохозяйственного производства. Одним из направлений точного земледелия является фертигация – метод одновременного орошения и внесения удобрений. (Цель исследования) Оценка потребности российского аграрного сектора в технологиях фертигации, анализ тенденций и региональных особенностей внедрения. (Материалы и методы) На основе анализа данных Росстата и Росгидромета проведена оценка взаимосвязи параметров развития растениеводства в 28 выбранных регионах Южного, Северо-Кавказского и Приволжского федеральных округов с климатическими и производственными характеристиками. Исследование тенденций развития технологий фертигации в Российской Федерации основано на патентном обзоре, экспертных оценках, данных отраслевых отчетов и информации от производителей. (Результаты и обсуждение) Корреляционный анализ показал зависимость урожайности основных сельскохозяйственных культур от внесенных объемов минеральных и органических удобрений. Однако эффективность применения удобрений существенно варьируется в зависимости от региональных особенностей. Полученные результаты сопоставлены с динамикой климатических рисков, наиболее часто проявляющихся на территории выбранных регионов. Нарастающее воздействие неблагоприятных климатических факторов в регионах растениеводческой специализации обусловливает значительный потенциал фертигации. Анализ отечественного рынка данных технологий показал, что доля российских разработок остается недостаточной для импортозамещения. Исследование российской и международной баз данных о патентах подтвердил глобальный тренд на цифровизацию и автоматизацию фертигации. (Выводы) Фертигация как важнейшая часть технологий точного земледелия имеет высокую значимость для перехода к климатически оптимизированному сельскому хозяйству в условиях аридизации. Региональный анализ выявил зависимость урожайности от объемов удобрений, однако эффективность их применения варьируется под влиянием климатических факторов и агротехнических условий. Для снижения импортозависимости и внедрения интеллектуальных систем фертигации необходимы государственная поддержка НИОКР и локализация технологий, учитывающих специфику российских регионов.

Рассмотрены вопросы перемещения почвенного пласта при различных способах вспашки. Выявлен эффект продольного перемещения пласта в процессе его оборота. (Цель исследования) Изучение кинематики продольного перемещения почвенного пласта при различных способах оборота (в собственную борозду и в соседнюю борозду) и его количественная оценка. (Материалы и методы) Явление перемещения пласта в продольном направлении было обнаружено при изучении кинематики физических моделей пластов. Для проведения исследований была изготовлена пластичная модель почвенного пласта толщиной 1 сантиметр, шириной 2 и длиной 7,5 сантиметра. Закрутка пласта на 180° осуществлялась на расстоянии 5 сантиметров. Объяснением этого явления может быть тот факт, что при осуществлении оборота пласта его центр тяжести поднимается над дном борозды дважды в результате смены опорных ребер пласта. Вследствие этого средняя линия пласта приобретает изогнутый вид. (Результаты и обсуждение) Проекция изогнутой линии на плоскость дна борозды всегда короче, чем длина самой линии, поэтому, если специально не растягивать пласт, он неминуемо должен переместиться в продольном направлении в сторону защемленного конца на некоторую величину. Установлены зависимости, позволяющие определять величину продольного перемещения, а также скорость и ускорение поперечного сечения пласта при осуществлении оборота в зависимости от кинематических параметров почвенного пласта. (Выводы) Величина продольного перемещения пласта прямо пропорциональна его толщине и зависит от коэффициентов устойчивости и закрутки.

Отметили, что многообразие природных условий возделывания и уборки льна в разных зонах страны обусловливает актуальность вопроса повышения надежности как серийных, так и вновь разработанных машин для отрасли льноводства. (Цель исследования) Разработать методологию повышения долговечности льноуборочных машин за счет разработки новых и внедрения унифицированных узлов в 1,5 раза. (Материалы и методы) Показатели надежности на первой стадии создания машин определяли путем расчетов, показатели надежности серийных машин – на основе эксплуатационных испытаний и обследований в хозяйствах, а также при ускоренных стендовых испытаниях отдельных узлов и машин в целом. (Результаты и обсуждение) Установили, что приведенные расчеты достаточно полно иллюстрируют оценку работоспособности льноуборочных машин с использованием обобщенного нагрузочного графика. Показали, что нормирование режимов работы механизмов не требует длительных статических испытаний в полевых условиях и позволяет прогнозировать долговечность элементов привода. Выявлено, что регламентирование режимов создает предпосылки не только для повышения надежности расчетов элементов льноуборочных машин на заданный срок службы, но послужит основой программирования ускоренных стендовых испытаний и прогнозирования долговечности. (Выводы) Методика может быть рекомендована при решении вопросов в области обеспечения долговечности деталей и узлов льноуборочных машин. Подтверждена необходимость разработки методологии повышения износостойкости на основе формализации базы накопленных знаний современными методами и средствами. Приведены примеры, подтверждающие, что разработка новых узлов, в частности, очесывающего механизма, подбирающего барабана, и внедрение унифицированных узлов позволят увеличить долговечность машин в 1,5 раза.

Отметили, что сортировка представляет собой ключевой технологический этап производства картофеля. Минимизации повреждения клубней выступает основным критерием оценки эффективности сортировочных машин с эластичным покрытием рабочих поверхностей для снижения ударных нагрузок. (Цель исследования) Провести кинематический и динамический анализ механизма привода рабочего оборудования сортировочной машины Tolsma для оценки эксплуатационных характеристик в условиях картофелеводческого кластера AGROVER (Ташкентская область, Республика Узбекистан). (Материалы и методы) Методология направлена на оценку инерционных нагрузок, критичных с точки зрения минимизации повреждения клубней при сортировке, что согласуется с проблемой повышения качества работы машины. (Результаты и обсуждение) Проведен графический анализ вертикальной силы, действующей на клубни при колебаниях грохотов машины, показал. Как показал анализ, направление этой силы преимущественно совпадает с силой тяжести, что приводит к «забиванию» клубней в отверстия рабочей поверхности. Минимальная величина отталкивающих сил не обеспечивает эффективного перемещения продукции, усиливая риск повреждения из-за деформации эластичных покрытий и овальной формы клубней, которые действуют как клин. Установлено, что даже дополнительные механизмы не устраняют полностью проблему снижения производительности и травмирования клубней, связанную с инерционными нагрузками и геометрией грохотов. (Выводы) Результаты подтверждают выводы кинематического и динамического моделирования. Инерционные силы, возникающие при ускоренном движении грохотов, критически влияют на взаимодействие клубней с рабочими поверхностями, в связи с этим требуется оптимизация параметров сортировочной машины.

Отметили актуальность задачи повышения продуктивности полевых угодий. Получение сбалансированной кормовой массы зависит от выбора сельскохозяйственной культуры, способа и качества посева. (Цель исследования) Определить значимые факторы степень их влияния на конструктивные параметры и режимы работы высевающего аппарата. (Материалы и методы) Использовалась сеялка СН-16 с модернизированным бункером для выполнения операции мозаичного посева. При планировании эксперимента за значимые факторы принимались скорость движения ленты, посевная культура, форма бункера. Под откликом подразумевались отклонение от заданной координаты посева и показатели качества работы. Была подготовлена план-матрица полного факторного эксперимента. (Результаты и обсуждение)Проведена серия опытов на лабораторной установке и по их результатам планировалось полевое исследование с применением сеялки СН-16 с модернизированным бункером. Качество операции оценивалось по глубине посева культур, отклонению от средней линии и количеству растений на единицу площади. Эти показатели различались на разных участках экспериментального поля. Качество посева в основном соответствовало установленным требованиям. Отклонение средней глубины от заданной для зерновых не превышало 15 процентов, а для мелкосеменных культур в большинстве случаев отклонение составило 5 процентов. Отклонение от заданной глубины объясняется прежде всего различным рельефом опытных делянок. Полевая всхожесть определялась как доля взошедших растений от числа высеянных семян и составила 90 процентов.(Выводы) Использование сеялки СН-16 с модернизированным бункером под мозаичный посев является перспективным. Качество возделывания исследуемых культур можно считать удовлетворительным.

Интеллектуальное (умное) земледелие является современным этапом развития сельскохозяйственной науки и практики. Его характерная особенность заключается в активном применении методов искусственного интеллекта, в частности, машинного и глубокого обучения, при решении частных задач, направленных на устойчивое производство в растениеводстве. (Цель исследования) Целью данного исследования стал анализ структуры данных и сравнение алгоритмов машинного и глубокого обучения, используемых в прогнозировании урожайности сельскохозяйственных культур. (Материалы и методы) На основе конвергентного подхода с использованием методов когнитивного и семантического анализа авторами рассмотрена предметная область «Применение методов искусственного интеллекта при прогнозировании урожайности сельскохозяйственных культур», а также базовые аспекты, связанные со структурой исходных данных, основные этапы реализации предиктивных моделей и наиболее используемые методы машинного и глубокого обучения. (Результаты и обсуждение) По результатам работы представлены основная структура и способы получения данных, а также типовая схема реализации моделей в предиктивной аналитике урожайности сельскохозяйственных культур. Выделены наиболее распространенные методы машинного и глубокого обучения, подробно рассмотрены их функциональные особенности. На основе сравнительного анализа показано, что глубокое обучения и гибридные подходы превосходят традиционные методы машинного обучения по метрикам ошибок (точности прогнозирования). (Выводы) По результатам исследований установлено пре­имущество методов глубокого обучения (Rср2 = 0,85) и гибридного подхода (Rср2 = 0,87) в прогнозировании урожайности сельскохозяйственных культур в зависимости от складывающихся условий и управляющего воздействия. Развитием дальнейшей исследовательской работы может быть адаптация современных подходов искусственного интеллекта к пространственным объектам землепользования и культурам с преимущественным использованием данных дистанционного зондирования.

Отмечено; что при использовании рабочих органов плоскорежущего типа важно учитывать изменение сопро­тивления разрыву почвы в зависимости от ее относительной влажности; изменение сопротивления резанию ножами с ромбическим поперечным сечением и сопротивления резанию в зависимости от числа плоскостей резания. Работа по­священа аналитическому исследованию влияния угла заточки ножа на удельное сопротивление резанию плодородного слоя почвы. (Цель исследования) Изучение процесса разрушения слоя почвы рабочими органами плоскорежущего типа. (Материалы и методы) Предложен новый почвообрабатывающий орган; проведены его предварительные теоретические исследования. Методика опыта предусматривает измерение только вертикальной составляющей давления пласта почвы на рабочий орган. При этом боковые стойки; удерживающие нож; перемещаются по заранее подготовленным направля­ющим. (Результаты и обсуждение) Научная новизна исследований заключается в использовании зависимостей; которые отражают взаимосвязь параметров и режимов функционирования нового рабочего органа в процессе взаимодействия его c почвой. Предложена методика инженерного расчета рабочего органа при взаимодействии его с почвой. При ширине зуба на плоскорежущем рабочем органе 5 сантиметров и длине 7 сантиметров наименьшее сопротивление на тяжелом суглинке будет получено при отношении ширины зуба на рабочем органе к расстоянию между зубьями 2-3;5. (Выводы) Установлено; что длину зубьев следует задавать приблизительно равной расстоянию между зубьями. Определено влияние заточки на техническое состояние рабочих органов на производительность агрегата в целом. Приведены аналитические данные; которые позволяют сделать вывод; что для ножей с большой шириной захвата выгоднее увеличивать глубину ре­зания; так как удельное сопротивление резанию при этом уменьшается.

Отмечено; что на рынке семенного материала овощных культур доля российских сортов снижается. Во многом такая ситуация обусловлена отставанием в технологическом уровне и технической оснащенности большинства учреждений-оригинаторов российских сортов от зарубежных селекционно-семеноводческих центров и компаний. (Цель исследо­вания ) Инженерное обеспечение технологии инновационного получения семян овощных культур и картофеля с автомати­ческой фиксацией и поддержанием технологических параметров и показателей качества хранения. (Материалы и методы) Для разработки автоматической системы контроля и управления процессом закладки биологических объектов на хране­ние необходимо определить основные требования к процессу электрофизического воздействия (ультрафиолетовое излу­чение) на семенной материал; а также параметры технологических режимов. (Результаты и обсуждение) Разработана; изготовлена и проходит лабораторные испытания экспериментальная установка электрофизического воздействия на по­казатели качества хранения. Автоматическая система контроля за рабочим процессом с ориентирующим модулем должна обеспечивать: изменение и поддержание поступательной скорости движения обрабатываемой продукции; а также возмож­ность изменения режима электрофизического воздействия в зависимости от фактической подачи и физико-механических свойств вороха; технологических параметров клубней и работы ориентирующего модуля. Регулируемая сила фототока УФ-воздействия задается и контролируется автоматически посредством бортового компьютера. (Выводы) Разработанная автоматическая система контроля и управления процессом закладки биологических объектов на хранение позволяет эф­фективно регулировать параметры УФ-воздействия; такие как интенсивность излучения и время облучения; в зависимости от физико-механических свойств продукции и технологических параметров работы установки. Различные способы дезин­фекции камер хранения; в частности озонирование; обработка газообразным диоксидом хлора и УФ-облучение; позволяют снизить микробиологическую порчу продукции. Исследования подтвердили; что применение УФ-воздействия в сочетании с автоматической системой контроля и управления технологическими параметрами позволяет значительно улучшить каче­ство хранения овощных культур и картофеля; особенно при повышенных температурах.

К основным причинам усиления антропогенного воздействия на окружающую среду относится интенсифика­ция сельскохозяйственного производства; в частности наращивание мощностей на предприятиях; производящих продук­цию растениеводства. Одним из подходов митигации экологических рисков является частичный переход к органическим видам хозяйствования. Однако для устойчивого развития органического производства в РФ требуется создать наукоемкую среду для интеграции последних достижений в биологических; инженерных и цифровых науках с целью формирования методов для проектирования технологий органического производства продукции растениеводства. (Цель исследования) Теоретические исследования по разработке методов проектирования машинных технологий органического производства продукции растениеводства. (Материалы и методы) Проведен анализ разработанных ранее методов проектирования; их преимуществ и недостатков. Основываясь на этом анализе; на наш взгляд; рационально интерпретировать классиче­ский метод Waterfall - каскадный метод проектирования. (Результаты и обсуждение) На начальной стадии реализации каскадной модели разработана блок-схема генерального алгоритма проектирования машинных технологий производства органической продукции растениеводства. На первом этапе генерального алгоритма проводится анализ почвенно-клима­тических и хозяйственных условий и после их фиксации происходит переход к выбору средств производства (семенной материал; система удобрений и система защиты растений). Выбор осуществляется по критериям экологической безопас­ности; качеству получаемой продукции; потенциальной урожайности и затратам денежных средств. Следующим этапом алгоритма предусмотрен выбор рациональных вариантов технологических операций и машинно-тракторных агрегатов. Выбор осуществляется согласно разработанному интегральному эколого-экономическому критерию; который представ­лен в виде суммы совокупных затрат денежных средств на выполнение единицы наработки; экономического убытка от потери питательных элементов из пахотного горизонта и экономического убытка от переуплотнения почвы при выпол­нении технологических операций. Интегральный эколого-экономический критерий должен стремиться к минимуму для каждой технологической операции. (Выводы) Предложенные методы проектирования технологий органического про­изводства продукции растениеводства позволят сформировать цифровую систему базовых технологий и машин и разра­батывать технологические карты по органическому возделыванию культур для конкретных почвенно-климатических и хозяйственных условий.

Отметили; что после предпосевного увлажнения избыточная поверхностная влажность семян затрудняет их по­сев механизированным способом. В результате экспериментально-поисковых исследований установлено; что избыточная поверхностная влага эффективно удаляется при контакте семян с влаговпитывающей поверхностью. (Цель исследования) Экспериментально-математическая оценка возможности удаления избыточной поверхностной влаги при контакте зернов­ки с влаговпитывающей поверхностью. (Материалы и методы) Прижимающее усилие зерновки к поверхности транспор­тера имитировали с помощью динамометра с плоским наконечником при дискретности создаваемого усилия 2;5 ньютона. Зерновка прижималась к фетровой ткани; пропитанной красящим раствором. Математическое моделирование процесса удаления поверхностной влаги заключалось в оценке возможности качения зерновки по поверхности. (Результаты и об­суждение ) Установлено; что для произвольно взятой зерновки ячменя с размерами полуосей эллипса в поперечном сечении a = 0;001845 метра; b = 0;00146 метра полное качение отсутствует. Зерновка с данными размерами поворачивается на 58 гра­дусов. В то же время создаваемое в плоскости продольного сечения минимальное усилие 2;5 ньютона на зерновку с полуо­сями a = 0;001845 метра и с = 0;00396 метра обеспечит прижимающее усилие 0;11 ньютона на один квадратный миллиметр. С учетом глубины погружения зерновки во влаговпитывающую поверхность и поворота зерновки на угол 58 градусов будет обеспечен необходимый контакт для удаления избыточной поверхностной влаги. Однако в частном случае; когда одна из пло­скостей продольного сечения зерновки имеет форму; приближенную к ромбовидной; контакт будет неполным. Увеличение прижимающего усилия до 0;19 ньютона на один квадратный миллиметр не дает желаемого эффекта; поскольку зерновка; пре­одолевая сопротивление впитывающей влагу поверхности; упиралась в опорную пластину. Решением проблемы стало увели­чение толщины впитывающей поверхности приблизительно до половины толщины зерновки. В этом случае обеспечивается наибольшая площадь контакта. (Выводы) Путем экспериментально-математической оценки установлено; что избыточная по­верхностная влага может быть эффективно удалена с зерновок при контакте с влаговпитывающей поверхностью толщиной; близкой к половине толщины зерновки; и прижимающем усилии порядка 0;19 ньютона на один квадратный миллиметр.

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).