Вторичное плодово-ягодное и овощное сырье (выжимки) целесообразно перерабатывать с целью максимального извлечения из него биологически ценных витаминов, микроэлементов, пищевых волокон и незаменимых аминокислот. Сухие выжимки измельчают на том же оборудовании, что и зерно. Основными недостатками существующих измельчителей являются громоздкость, энергозатратность и высокая трудоемкость обслуживания. Необходимость создания новых измельчающих машин определяется различными характеристиками перерабатываемых объектов и разнообразными технологическими требованиями к исходному и готовому продуктам. С целью разработки перспективной конструкции устройства, измельчающего вторичное плодово-ягодное сырье, представленного сухими выжимками, авторы провели патентный поиск и анализ методов измельчения. В результате теоретических исследований разработали измельчитель, содержащий камеру измельчения цилиндрической формы, сообщающуюся в верхней ее части с загрузочным бункером и разгрузочной полостью готового продукта в нижней части. При испытании разработанного устройства измельчали сухие выжимки ягод брусники, клюквы, черники, смородины черной, жимолости и облепихи влажностью 10% и получили порошки дисперсностью не более 1 мм. Оценку крупности помола проводили на рассеве РЛ-4. Экспериментально установили высокую эффективность разработанного устройства. Степень измельчения вторичного плодово-ягодного сырья составила 98,3…98,8%. Расчетное значение фактически затрачиваемой энергии на измельчение ягодных выжимок влажностью 10% до фракции менее 1 мм составило 4,40 кВт·ч/т. Следующим этапом исследований является модернизация измельчителя с целью оптимизации энергетических показателей, затрачиваемых при измельчении вторичных растительных материалов разной влажности и химического состава, обладающих различными физико-механическими характеристиками (мякоть, семена, косточки и пр.).

Управление сложными биомашинными системами в животноводстве возможно с помощью технологий искусственного интеллекта. Наличие у машин функции «искусственного сознания» для адаптивного взаимодействия с биологическими объектами (животными) позволит более точно учитывать их нейрокогнитивные способности, рефлексы, преднамеренность поведения, возникновение «машинобоязни» на начальном этапе приучения к технологии и др. Цель исследований – повышение качества управления сложными биотехническими системами в животноводстве на основе использования технологий искусственного интеллекта. Рассмотрена дискуссионная проблема необходимости наличия в будущем у машин сильного искусственного интеллекта. Предположили, что физические (рычаг, колесо, механизм, машина) и когнитивные (калькулятор, смартфон, компьютер и др.) «усилители» человеческого функционала вновь должны объединиться в новой умной машине в виде сильного интеллекта и универсальных физических возможностей (робот + сильный ИИ = искусственный человек). Рассмотрена принципиальная схема эволюционного развития физических (механизация, автоматизация и роботизация) и когнитивных (информатизация, алгоритмизация, цифровизация, искусственный интеллект) «усилителей» человека. Предложена структурно-функциональная схема управления животноводческой фермой как сложной биомашсистемой «Человек-машина-животное-продукция-окружающая среда» с использованием ИИ. Выделены три критериальные группы оценки качества функционирования данной биомашсистемы:

1) показатели качества управления технологическими процессами в локальных биомашсистемах доения, кормления и др.; 2) показатели геномной оценки, продуктивности и физиологического состояния животных;

3) экономические и экологические показатели качества управления фермой в целом. На основе алгебры логики получены соответствующие структурно-функциональные модели их построения.

Микроклимат оказывает существенное влияние на здоровье и производительность труда персонала и на продуктивность животных. Поддержание оптимального микроклимата обеспечивается кратностью вентиляции, способом подачи и распределения приточного воздуха. В промышленных предприятиях с объемными помещениями и большим воздухообменом наиболее распространена струйная вентиляция. Для данной системы характерна проблема равномерного распределения приточного воздуха. Исследования проведены с целью оптимизации системы микроклимата за счет регулирования угла наклона потока приточного воздуха. Для обеспечения требуемых параметров микроклимата во всей зоне обслуживания предложено изменить характеристики приточных струй, используя аэродинамический насадок на выпускном отверстии приточной системы. Выяснили, что угол наклона струи приточного воздуха определяется ее температурой. Провели математическое моделирование траекторий истечения различных по характеру и температуре струй приточного воздуха. Получили зависимость текущего значения угла наклона от температуры приточного воздуха для направляющего насадка с системой динамического регулирования и критерий определения оптимального значения угла наклона для статичных аэродинамических насадков. Для отопительного периода рассчитали оптимальные углы наклона направляющих аэродинамических насадков для трех различных регионов страны. Оценку адекватности работы аэродинамических насадков провели на лабораторной установке. Результаты экспериментальных исследований подтвердили возможность и эффективность регулирования вектора потока приточного воздуха. В дальнейшем результаты исследований будут использоваться при внедрении систем обеспечения микроклимата в свиноводстве.

Температурный стресс отрицательно влияет на физиологическое состояние и показатели продуктивности коров. Анализ результатов экспериментальных исследований выявил зависимость частоты пульса коров от температуры и влажности окружающей среды. Локальный обдув животных способствует устойчивости показателей их физиологического состояния к воздействию повышенной температуры и влажности воздуха. Для реализации локального обдува животных необходимо разработать алгоритм управления скоростью воздушного потока. Разработке алгоритма предшествовали экспериментальные исследования зависимости частоты пульса коров от температуры и влажности окружающей среды при различной скорости воздушного потока. Эксперимент проводили на коровах черно-пестрой породы средним возрастом 3,5 года и массой 590 кг. Для математического описания анализируемой зависимости предложено использовать метод вложенных функций и линейную множественную регрессию. Приведены численные значения параметров математических моделей, полученных из условия минимума суммы среднеквадратических отклонений экспериментальных и теоретических значений частоты пульса для обоих методов. Определена наибольшая эффективность трехфакторной линейной модели, по результатам преобразования которой сформирован алгоритм управления скоростью потока воздуха. Практическое использование алгоритма заключается в подстановке в него требуемого значения частоты пульса животных, текущих значений температуры и относительной влажности воздуха с последующим расчетом скорости воздушного потока. Процессорная реализация полученного алгоритма при плавном управлении скоростью воздушного потока целесообразна посредством изменения частоты питающего напряжения асинхронного электродвигателя.

Повышая качество посевного материала путем отбора лучших семян для посева, можно добиться повышения валовых сборов урожая. На кафедре сельскохозяйственных машин ЛГАУ был разработан и собран экспериментальный образец пневматического сепаратора семян овощных и бахчевых культур, достоинством которого является повышение качества сепарации плоских семян за счет ориентирования их на цилиндрической опорной поверхности. С целью повышения качества работы нового сепаратора авторы разработали новую камеру разрежения, позволяющую повысить равномерность разрежения по всей рабочей поверхности. Авторы провели моделирование воздушных потоков и распределения вакуумметрического давления в исходном и предложенном образце воздушных камер с помощью программы SolidWorks Flow Simulation. Аэродинамический расчет показал достоинства разработанной камеры. Разработанную модель камеры разрежения напечатали на 3D-принтере из пластика PETG. Для подтверждения результатов моделирования провели опыт по измерению перепадов давления в новой и исходной воздушных камерах. При помощи прибора Testo 510i в трехкратной повторности отслеживали перепады вакуумметрического давления с частотой измерений один раз в секунду при линейной скорости вращения поверхности сепаратора 0,5 см/с. Обработка экспериментальных данных учитывала усредненные показатели по пяти возможным траекториям движения семян по отношению к воздушной камере. По результатам эксперимента установлено, что разработанная камера обеспечивает более равномерное разрежение, среднее отклонение границ вакуумметрического давления уменьшилось с 11,70 до 7,56 Па. По результатам дисперсионного анализа общая точность опыта составила 0,53%. По результатам проведенных исследований разработанная камера разрежения будет интегрирована в конструкцию сепаратора.

Зерна пшеницы являются ценным и наиболее потребляемым продуктом питания, поэтому их обогащение ионами железа позволит восполнить дефицит этого микроэлемента в организме человека. C целью обогащения зерен пшеницы негемовым железом (Fe³⁺) провели их ультразвуковую обработку в растворе сульфата железа. Насыщение зерна железом проводили на ультразвуковой установке Vilitek VBS-6D при частоте 40 кГц. Зерна пшеницы погружали в ванну с раствором сульфата железа в пропорции 1:3. Продолжительность обработки варьировали от 10 до 30 мин с шагом 5 мин. Таким образом, получили 5 образцов. В качестве контроля выбрали образец с наименьшим временем ультразвуковой обработки. Качественную и количественную оценку результатов кавитационной обработки зерна проводили с помощью физических методов анализа – таких, как электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и электрический импеданс. Спектры получили на спектрометре Bruker Elexsys E580 в X-диапазоне. Из анализа спектров ЭПР исследуемых образцов сделали вывод о том, что с увеличением времени ультразвуковой обработки наблюдается рост сигналов от кластеров, образованных ионами трехвалентного железа. Образованные в результате диссоциации раствора соли ионы Fe²⁺ окисляются до состояния Fe³⁺. Для дополнительного анализа растворения ионов железа в зерне использовали метод импедансной спектроскопии в области частот от 1 Гц до 100 МГц. На основе приведенных данных выявили, что внедрение ионов железа приводит к наибольшему изменению действительной и мнимой составляющих электрического импеданса в области частот свыше 1000 Гц или в области β-дисперсии, что указывает на хорошую проходимость ионов железа в клетку из межклеточной области сквозь изолирующую их мембрану. В дальнейшем такие исследования позволят разработать экспресс-метод определения наличия ионов железа в зерновых.

Топинамбур – влаголюбивая культура. При отсутствии возможности проведения поливных работ на полях с посадками топинамбура предлагаем применить усовершенствованную технологию его возделывания. Цель исследований – выявить влияние технологии выращивания топинамбура с использованием влагоудерживающих суперабсорбирующих полимеров (САП) «Аквасин-Агро» в сочетании с дозами минеральных удобрений на урожайность клубней топинамбура сорта Омский белый. Эксперимент проводили в ФГБНУ ФИЦ картофеля имени А.Г. Лорха в течение 2017…2019 гг. на дерново-слабоподзолистой супесчаной почве в соответствии с требованиями методики полевого опыта Б.А. Доспехова и методики проведения исследований по культуре топинамбура. Эксперимент включал в себя 4 фона локального внесения минеральных удобрений при посадке (от 0 до 562,5 кг/га) и 5 доз САП при междурядной механической обработке (от 0 до 200 кг/га). При контроле минеральные удобрения и САП не вносили. В результате исследований разработали технологию для супесчаной почвы, которая включает в себя следующие основные операции: осеннюю зяблевую вспашку; весной – дискование тяжелой бороной и нарезку гребней; посадку с одновременным локальным внесением минеральных удобрений в дозе 375…562,5 кг/га; три междурядных механизированных обработки посадок; при первом механизированном уходе – локальное внесение суперабсорбирующих полимеров (САП) Аквасин (Агро) в сухую погоду на глубину 4…6 см в дозе 150…200 кг/га; визуальный осмотр посадок на наличие болезней и вредителей с последующим устранением в случае их обнаружения; скашивание зеленой массы через 5 месяцев после посадки; через 2 недели после скашивания зеленой массы – уборку клубней. Выполнение предложенных элементов технологии позволяет получить урожайность клубней топинамбура более 38,7…39,9 т/га при контроле 18,9 т/га и условный чистый доход в размере 250,6…267,8 тыс. руб/га. Необходимо продолжить исследования в данном направлении с изучением влияния сочетания технологического воздействия САП и минеральных удобрений, в том числе при одновременном локальном внесении.

Усталостное разрушение – наиболее часто встречающийся вид отказов деталей сельскохозяйственной техники. При создании деталей сельскохозяйственной техники некоторые ученые предлагают использовать металлические многослойные структуры. С целью обоснования использования металлических многослойных структур, а также определения возможных путей повышения их усталостной прочности провели аналитический обзор научной литературы по вопросам усталостного разрушения многослойных металлических структур. Рассмотрели особенности реализации аддитивной технологии листового ламинирования на примере изготовления деталей сельскохозяйственной техники. Определили характер влияния толщины, количества и свойств слоев и межслойных границ на усталостную прочность металлических образцов с многослойной структурой, получаемых с помощью традиционных технологий сваркой взрывом или горячей пакетной прокаткой, и деталей с подобной многослойной структурой, получаемых с использованием аддитивной технологии листового ламинирования. Рассмотрели пример усталостного разрушения детали с механическим и клеевым соединением слоев. На основе результатов проведенного анализа предложили технические подходы к аддитивному изготовлению металлических деталей с многослойной структурой, обеспечивающие повышение их усталостной прочности. Дали рекомендации по выбору исходных металлических листов для вырезки листовых выкроек, по установлению толщины и общего количества выкроек, по формированию отверстий в выкройках, служащих для их соединения механическим крепежом, а также для уменьшения массы в рамках топологической оптимизации. Задачей дальнейших исследований прочностных свойств металлических многослойных структур является экспериментальное определение характера зависимости усталостного разрушения детали от количества составляющих ее слоев.

Дефицит эффективных отечественных смазок с высокими эксплуатационными свойствами обусловлен необходимостью разработки технологии производства твердых смазок. В процессе волочения на стане применяют твердые смазочные материалы, которые препятствуют контакту трущихся поверхностей и локализации сдвиговых деформаций в слое смазки. Исследования проведены с целью разработки технологии производства конкурентоспособной смазки с высокими адгезионными свойствами, способной непрерывно разделять трущиеся поверхности, предотвращать образование задиров, рисок и обрывов проволоки. В качестве компонентов выбрали кальциевое мыло, модифицированный графит ГС-1 и гидроксид кальция. Графит модифицировали фторсодержащим ПАВ. Количество компонентов в составе смазки корректировали в зависимости от результатов трибологических исследований на машине трения ЧМТ-1. Изготовленную смазку для волочения сравнивали с итальянским прототипом Panlube. Смазку наносили на вращающийся ролик с помощью сконструированной рычажной системы. Синхронное измерение скорости изнашивания и момента сил трения проводили на модернизированной машине трения типа «Амслер МИ-1» согласно ГОСТ 23216-84. Результаты показали, что у полученной смазки на основе модифицированного графита трибологические характеристики выше, чем у зарубежного аналога: при одинаковых пятнах износа нагрузка сваривания для разработанного нами образца составила 700 кгс, а для зарубежного – 400 кгс. Промышленные испытания смазки на волочильном стане подтвердили ее соответствие требованиям технического задания, при скорости волочения более 5 м/с получили качественную продукцию при прогнозируемом снижении износа канала волока.

Согласно исследованиям до 35% распределительных валов выбраковываются при дефектации как не подлежащие ремонту, из них 50% – по причине износа кулачков (2/3) и опорных шеек (1/3). Остальные дефекты распределены относительно равномерно. Данная статистика собрана на основе обработки большого массива данных и может не соответствовать конкретному предприятию, поэтому создание однозначной модели не представляется возможным. Нотации позволяют графически отобразить процесс и провести его имитационное моделирование для выявления уязвимых мест. К одной из таких нотаций можно отнести BPMN. C целью повышения производительности процесса дефектации распределительных валов создали две модели в нотации BPMN: равномерное распределение по операциям вероятности обнаружения брака и неравномерное распределение вероятности в соответствии со статистикой. Имитационное моделирование процесса дефектации 100 распределительных валов двигателя ЯМЗ-236, построенного в нотации BPMN, проводилось в программе Business Studio. В реальном процессе контроль параметров 100 валов осуществлялся в условиях специализированного ремонтного предприятия АБ-Инжиниринг универсальными и специализированными средствами измерений. В результате сравнения реального процесса и его модели более близкие результаты получены при неравномерном распределении, что было учтено при оптимизации. Оптимизация процесса входного контроля производилась исходя из процента выбракованных изделий и продолжительности операции. Затрачиваемое время на процесс дефектации после оптимизации сократилось в 1,35 раза, расхождение между моделью и реальными данными процесса не превысило 5%, что говорит о правильном подходе к моделированию процессов, связанных с высокой степенью неопределенности.

Двухфазные и двухфазные на нулевой проводник короткие замыкания в сельских электрических сетях возникают при схлестывании неизолированных проводов или повреждении изолированных проводов. Выявление параметров данных режимов на практике невозможно, поэтому их следует определять расчетным методом. Однако в нормативных документах и в источниках литературы не представлены зависимости, позволяющие идентифицировать данные режимы на всем протяжении линии электропередачи, в том числе в точке установки устройств секционирования. С целью определения электрических параметров, характерных для режимов двухфазного и двухфазного на нулевой проводник коротких замыканий в сельских электрических сетях 0,4 кВ, проведено исследование с помощью метода физического моделирования. Физическая модель сельской электрической сети содержала трансформатор ТТ-0,16-380/38 Y/Y_н-0. Соотношение междуфазного и фазного напряжений – 38/22 В. Использовали нихромовую проволоку из сплава Х20Н80 сечением 0,5 мм², сопротивлением 5,6 Ом/м. Сопротивление заземления нейтрали трансформатора приняли как 4 Ом, для двух повторных заземлений нулевого провода – 30 Ом. В результате выявлено, что при двухфазном коротком замыкании в сети 0,4 кВ токи в поврежденных фазах равны, а соотношение напряжений на неповрежденной и поврежденных фазах составило 1,3…1,9. При двухфазном коротком замыкании на нулевой проводник в одной из фаз значение тока равно алгебраической сумме тока нейтрали и тока, протекающего в другой фазе. При этом соотношение напряжений неповрежденной фазы к поврежденным фазам изменяется в зависимости от приближения к точке замыкания. Выявленные зависимости можно использовать для идентификации данных режимов микроконтроллерными блоками управления секционирующих устройств, что позволит диспетчеру сети получать информацию об их возникновении и сократить время на поиск и выявление причин повреждений.