К столетию со дня рождения Георгия Ефремовича Листопада – академика Россельхозакадемии, доктора технических наук, профессора, заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации, лауреата Золотой медали имени В.П. Горячкина, заслуженного изобретателя СССР

Создание комфортных условий для животных обеспечивает их долголетие и высокую продуктивность. Искусственная вентиляция, включающая в себя приточную, вытяжную системы и систему управления, минимизирует влияние человеческого фактора на поддержание параметров микроклимата в помещении. Предлагаемая система обеспечения параметров воздуха в помещении для содержания КРС с беспривязным содержанием разрабатывалась на основе анализа систем вентиляции животноводческих помещений и исследований, доказывающих эффективность осушения воздуха в зимний период с помощью рекуперативного теплообменника. Система обеспечения параметров микроклимата создавалась с помощью программы автоматизированного проектирования «Компас» (САПР) компании «Аскон». Разработанная система обеспечения параметров воздуха в помещении для содержания КРС включает в себя: электрофильтр и фильтр грубой очистки; вентиляторы; пластинчатый теплообменник; турбодефлектор; датчики температуры, влажности, скорости воздушного потока; пылесборники; насос; бак с дезинфектантом; механизм заслонки приточного воздуха и рециркулируемого воздуха. Использование рекуперативной системы осушения при низких температурах наружного воздуха позволяет поддерживать в помещении относительную влажность воздуха в нормативных пределах (75…40%) и снижать концентрацию углекислого газа на 20…45%. Для обеспечения указанных параметров микроклимата без осушения воздуха необходимо 200 кВт тепловой мощности для подогрева приточного воздуха. Предлагаемая комбинированная энергосберегающая всесезонная климатическая установка обеспечивает мониторинг параметров микроклимата и энергосбережение за счёт применения турбодефлектора, обеззараживает вентиляционный воздух, осушает воздух в коровнике в зимний период и охлаждает летом, а также частично обеспыливает воздух электромагнитным фильтром.

Параметры микроклимата влияют на продуктивность животных и их физиологическое состояние. Превышение допустимых концентраций газов приводит к заболеваниям животных, падению продуктивности и падежу молодняка КРС, поэтому целесообразно прогнозировать концентрацию газового состава в животноводческом помещении. С целью определения и распределения вредных газов (аммиак, сероводород, углекислый газ) в животноводческом помещении осуществлено 3D-моделирование фрагмента фермы в программном комплексе SolidWorks 2020. Созданы параметрические модели движения газов в различных условиях и определены оптимальные точки замеров концентрации газов в животноводческом помещении. Произведенное моделирование позволило определить направление воздушных потоков, обнаружить скопления и облака газов. Максимальная концентрация углекислого газа выявлена на уровне 0,9 м (скорость воздуха – 0 м/с) и на уровне 1,3 м (скорость – 0,75 м/с). Наибольшая концентрация сероводорода отмечена в области, граничащей с коньковым пространством (скорость воздуха – 0 м/с), и на уровне 2,25 м (скорость – 2 м/с). Наибольшая концентрация аммиака наблюдается под крышей и в области под коньком (скорость воздуха – 2 м/с). Рекомендовано устанавливать датчики сероводорода и аммиака под коньком, датчики углекислого газа, сероводорода и аммиака – в стойле, датчики углекислого газа и сероводорода – у кормового стола. Измерение концентрации необходимо производить на высоте 500, 1500 и 3000 мм. При увеличении концентрации выделяемого газа и прочих равных условиях увеличивается концентрация газа в облаке, но структура облака изменяется незначительно. Датчики опроса параметров необходимо устанавливать в закрытых продуваемых боксах, как в погодных метеостанциях.

Автоматические системы кормления не распространены в России. С целью поиска оптимального решения для реализации проекта по разработке роботизированного кормораздатчика на базе ФГБНУ ФНАЦ ВИМ проведен обзор научных трудов зарубежных ученых, посвященных изучению производственного опыта эксплуатации автоматических систем кормления и оценке их эффективности. Автоматические системы кормления (АСК) по сравнению с традиционной системой кормления на базе мобильных смесителей-раздатчиков кормов имеют ряд преимуществ. АКС позволяют в 2 раза снизить затраты труда на процесс приготовления и раздачу кормосмесей на фермах КРС; повысить точность кормления за счет разделения животных на большее количество технологических групп, получающих разные рационы кормления в зависимости от продуктивности, стадии лактации и т.д.; обеспечить кратность кормления КРС до 6…8 раз в сутки (что благоприятно влияет на его здоровье и молочную продуктивность). Автоматические системы кормления улучшают условия содержания животных и гигиену. Ширина кормового прохода на фермах с АСК почти в 2 раза меньше, чем на фермах с мобильными смесителями-раздатчиками кормов, что позволяет эффективнее использовать площадь коровника. Основным недостатком АСК является их высокая стоимость: в среднем 1230 €/гол. при средней стоимости реализации системы на базе мобильных смесителей-раздатчиков кормов 400 €/гол. В существующих АСК на долю бункеров-накопителей приходится большая часть инвестиционных затрат. Для снижения стоимости предложена концепция автоматической системы кормления на базе роботизированного кормораздатчика, в которой бункер-накопитель используется для промежуточного хранения уже готовых кормосмесей, а его загрузка осуществляется с помощью мобильного смесителя-раздатчика кормов.

Деградация почв за счет водной эрозии, сопровождаемая потерей плодородия, приводит к снижению урожайности зерновых культур. Для предотвращения водной эрозии на склоновых полях во время проведения обработки почвы и посева зерновых культур предложены технология и комбинированное орудие. Агрегат осуществляет обработку почвы и полосовой посев с образованием мини-террас, ширина которых обусловлена установкой бороздообразователей на расстоянии друг от друга, соответствующем ширине посева 6 рядков семян. Комбинированные сошники осуществляют посев зерновых культур в двух рядках на поверхности почвы, в трех рядках – на глубину 6…8 см, в последнем рядке – на глубину 14…15 см. Бороздообразователи формируют противоэрозионные бороздки глубиной до 9 см над рядками с семенами, высеянными на глубину 14…15 см, и образуют гребни над семенами, посеянными на поверхности. Гребни и бороздки предотвращают процессы водной эрозии на посевах склоновых полей. Гребнеобразователь устанавливается под углом 30…33° к направлению движения агрегата. Расстояние между рыхлительными лапами первого и второго рядов составляет не менее 45 см, а между рыхлительной лапой и гребнеобразователем – не менее 90 см. Предлагаемая технология и разработанное комбинированное орудие позволяют снизить прямые затраты энергии на обработку почвы и посев зерновых культур на 32%.

Используя решетчатое днище наклонной камеры и направляя зерновой ворох на очистку, минуя молотильный аппарат, можно уменьшить энергоемкость уборочного процесса и снизить степень дробления зерна. Целью исследований являлось сопоставление двух вариантов исполнения решетчатого днища наклонной камеры комбайна: с продольными отверстиями конечной длины и поперечными перемычками между ними и при сплошных отверстиях без поперечных перемычек. Для предварительной оценки предложена теоретическая модель процесса сепарации, предполагающая соскальзывание слоев очесанного вороха, перемещаемого скребком транспортера, в отверстие под углом естественного откоса. Ранее предполагалось, что при контакте с поперечной перемычкой процесс соскальзывания соответствующего слоя вороха полностью прекращается и возобновляется только после преодоления кромки очередного отверстия, вследствие чего должна существенно уменьшаться скорость сепарации. В модернизированном варианте модели учтено действие на компоненты верхнего яруса соскальзывающего слоя вороха силы инерции, активизируемой силой трения по перемычке его нижней части. В результате суммарного воздействия скатывающей силы и силы инерции направление движения компонентов верхнего яруса слоя изменяется до близкого к горизонтальному, вследствие чего 50…60% объема рассматриваемого слоя без остановки соскальзывает в очередное отверстие. Согласно теоретической модели сепарация очесанного зернового вороха должна уменьшаться на 4…5% при наличии перемычек между продольными отверстиями длиной 120 мм и общей длине сепарирующей части решетчатой поверхности 800 мм. В результате лабораторного эксперимента на очесанном ворохе пшеницы сорта Московская 56 сепарация очесанного зернового вороха при наличии поперечных перемычек уменьшилась на 4,6%, что подтвердило адекватность теоретической гипотезы.

Восполнить дефицит легкоусвояемых углеводов в рационе коров позволяет зерновая патока. Лучшим сырьем является рожь. Патоку можно производить в хозяйствах непосредственно перед скармливанием. Совершенствование технологии и технических устройств для производства зерновой патоки является сегодня актуальным. Исследования проведены с целью определения оптимальных значений настроечных параметров пассивного измельчителя (угла наклона решётки и диаметра отверстий решётки) путем оценки их влияния на критерий оптимизации – удельные энергозатраты. При этом определялись качественные показатели: количество целых зерен и остаток на сите с размером стороны ячейки 3 мм. Дробление целого зерна (озимая рожь сорта «Графиня») осуществлялось с помощью пассивного измельчителя, конструкцией которого предусмотрены изменение угла наклона решёток от 30 до 90° и установка их с разными диаметрами отверстий (3, 6 и 9 мм). Реализована матрица полного факторного эксперимента 3² и получена адекватная функция отклика. Дана оценка профиля желательности и графика Парето для изучаемых факторов. На первом этапе исследований установлено, что на снижение удельных энергозатрат большое влияние оказывает увеличение значения диаметра отверстий решётки. Построена поверхность отклика и определен антиградиент функции. На втором этапе выбран шаг в сторону увеличения значения диаметра отверстий до 9 мм и реализована матрица планирования дробного факторного эксперимента. Для полученной функции отклика определена экстремальная точка с минимум значения функции. В натуральном виде при угле наклона решётки 60,6° и диаметре отверстий решётки 6,57 мм удельные энергозатраты составляют 55,56 Вт·ч/кг. В качестве настроечных параметров рекомендуются значения 60° и 6 мм, при которых удельные энергозатраты находятся в области минимума и составляют 56,4 Вт·ч/кг, что на 1,3% больше расчётных значений.

Цифровые технологии, внедряемые в сельское хозяйство, направлены на повышение эффективности производства сельскохозяйственной продукции. Сельскохозяйственные роботы, осуществляющие технологические операции, мониторинг состояния поля, посевов или урожайности культур при географической удаленности от облачного хранилища, низкой пропускной способности и ненадежности сети, значительных задержках и сбоях в передаче информации, могут снижать свою производительность, качество выполнения работ и безопасность эксплуатации. С целью повышения производительности агрегатов в составе с беспилотными роботизированными техническими средствами сельскохозяйственного назначения, обеспечения высокого качества выполнения ими технологических операций, а также их безопасной эксплуатации предложена интеллектуальная система управления с применением технологий граничных вычислений на базе Edge Computing. При проведении исследований применялись методы комплексного структурно-динамического анализа и экспертно-аналитический способ обработки информации. В результате проведенных исследований предложена структурно-функциональная схема интеллектуальной системы управления сельскохозяйственными агрегатами в составе с роботизированными техническими средствами, позволяющая централизованно контролировать технологический процесс. Сельскохозяйственные машины осуществляют настройку рабочих органов и корректировку их работы с помощью встроенных автономных систем контроля, передающих данные в систему управления для выработки команд. Реализация концепции Edge Computing в цифровом сельском хозяйстве позволит снизить объем передаваемой информации и нагрузку на сеть передачи данных без снижения качества проведения технологического процесса при сбоях в работе сельскохозяйственной машины и встроенных систем.

Применяемые ротационные машины и орудия для возделывания сельскохозяйственных культур не в полной мере отвечают агротехническим требованиям. Для обоснования параметров рабочих органов выполнены исследования абсолютной траектории их движения и предложена классификация ротационных рабочих органов сельскохозяйственных машин по расположению оси вращения в пространстве, распределяющая их на 4 группы и 7 подгрупп: А – первая группа роторов с горизонтально-поперечной осью вращения; Б – вторая группа роторов с вертикальной осью вращения; В – третья группа роторов с продольной осью вращения; Г, Д, Е, Ж – четвертая группа роторов с расположением оси вращения в пространстве относительно системы координат ОXYZ под углами α, β и γ. Представлены результаты кинематического анализа ротационных рабочих органов для классов Г, Д, Е, Ж, имеющих сложное расположение оси вращения в пространстве. В результате анализа расчетов координат траектории движения ротационных рабочих органов установлено, что в группе роторов класса Г, Д, Е траектория движения соответствует сжатой циклоиде, а для ротора класса Ж траектория представляет собой геликоиду. Полученные траектории движения материальных точек ротационных рабочих органов позволяют оценить процесс взаимодействия рабочих органов с почвой и растительным материалом, обосновать геометрические параметры рабочих органов, частоту вращения ротора, поступательную скорость сельскохозяйственной машины.

Владея глубокими знаниями по математике и общей механике, В.П. Горячкин применил их к анализу и расчёту сельскохозяйственных машин, положив тем самым в начале ХХ в. появление новой научной дисциплины, названной им как «Земледельческая механика». В рамках этой науки он решал и некоторые теоретические вопросы по трактору. Конструкцией тракторной техники и рекомендациями по ее развитию он занимался при многочисленных испытаниях на возглавляемой им машиноиспытательной станции и в рамках работы правительственной комиссии. Целью исследований стало выявление теоретического и практического вклада В.П. Горячкина в создание науки о тракторе и в становление отечественного тракторостроения. В результате проведенных исследований методами, принятыми в истории науки и техники, установлено, что В.П. Горячкин разработал теорию ведущего и ведомого колеса трактора, обосновал предложения по совершенствованию характеристики двигателя и расположению его продольной оси относительно хода трактора, установил зависимость мощности трактора от рабочей скорости, решил конструктивные и мощностные вопросы агрегатирования трактора с плугом, сформулировал рекомендации по совершенствованию механических движителей и двигателей. Проводя многочисленные испытания тракторов в 1920-е гг. и участвуя в работе правительственной комиссии, В.П. Горячкин являлся участником становления тракторной отрасли. Благодаря его рекомендациям во многом определялись темпы и направления развития тракторостроения в СССР. На основании проведённых исследований можно констатировать, что теоретические изыскания и практические дела В.П. Горячкина явились значительным событием в истории становления отечественного тракторостроения, и его имя необходимо упоминать наряду с другими зачинателями тракторного дела в нашей стране.

Импортозамещение рабочих органов сельскохозяйственных машин возможно при разработке высококачественной стали и технологий ее упрочнения, соответствующих условиям работы сельскохозяйственной техники. Сталь в сочетании с высокой износостойкостью в абразивной среде должна обладать высокой пластичностью и ударной вязкостью. С целью исследования износостойкости разработанных низколегированных сталей в абразивной среде и оценки возможности их применения для изготовления высокоресурсных рабочих органов сельскохозяйственной техники разработаны 4 партии образцов стали с добавками. Для всех образцов проводилась термическая обработка с нагревом до температуры 900°C и закалкой в воду при температуре 20°C. Вторая группа образцов дополнительно подвергалась отпуску при температуре 280°C в течение 1 ч с последующим охлаждением на воздухе. На испытательной установке определялась износостойкость образцов согласно ГОСТ 23.208‑79. Установлено, что наименьшая интенсивность износа 0,0581 г/м достигнута для стали 0,43C‑1,60Si‑0,01Mn‑1,1Cr‑0,95Mo‑0,08V‑0,05Nb‑0,04Ti с термической обработкой «Закалка». Высокий предел прочности 2170 МПа достигается за счет образования карбонитридов, обогащенных Nb. Износостойкость данной стали в сравнении со сталью 65Г выше в 1,66 раза. При термической обработке «Закалка и отпуск» относительная износостойкость данной стали на 10,7% ниже, что объясняется фазовыми превращениями, уменьшающими предел прочности до 2040 МПа, но повышающими пластичность стали. Проведенные исследования показали широкий диапазон изменения износостойкости в зависимости от термической обработки. Это дает возможность в сравнительно небольших интервалах изменения температур закалки и отпуска воздействовать на структуру стали, тем самым воздействовать на свойства, которые обеспечивают наибольшую износостойкость.

Техническая диагностика, в частности, автоматическое диагностирование узлов механических трансмиссий, обеспечивает повышение показателей надежности транспортных и технологических машин. Технология контроля механической трансмиссии на основе цифровой термодиагностики предусматривает обеспечение контролепригодности диагностируемых узлов. Приспособленность узла к цифровой термодиагностике обусловлена его расположением, наличием смежных источников тепловыделения, величиной силовых и кинематических нагрузок. Контролепригодность узла обеспечивается расчетом теоретической величины температуры в зоне трения, определением зоны, пригодной для измерения диагностической температуры, вычислением зависимости между упомянутыми температурами. Контроль с применением специально разработанных программно-аппаратных комплексов производится автоматически путем сравнения температуры в зоне трения с предельной величиной. Для обеспечения контролепригодности подшипника 50412 ГОСТ 2893‑82 коробки перемены передач автомобиля КАМАЗ‑5320 определена теоретическая величина температуры в зоне трения 184,9°C при работе трансмиссии на первой передаче. Конечно-элементный анализ модели подшипникового узла в условиях стационарной теплопроводности позволил определить коэффициент пропорциональности 0,0812, связывающий температуру в зоне трения с диагностической температурой на поверхности крышки подшипника. В результате теоретических и экспериментальных исследований, включая тепловизионное наблюдение, определена температура в зоне трения 242,6°C, свидетельствующая о предотказном состоянии диагностируемого подшипника. Сходимость теоретической и экспериментальной температур обосновывает применение технологии цифровой термодиагностики к исследуемому узлу трансмиссии. Результаты исследований обосновывают применение технологии цифровой термодиагностики и установку датчика температуры на поверхности крышки подшипника.

Износ деталей распылителя форсунки происходит по причине попадания абразивных частиц кварца и оксида алюминия в топливо. Твёрдость кварцевого абразива превышает твёрдость рабочих поверхностей деталей в 1,4 раза, а у оксида алюминия превышение составляет 2,7 раза. Упрочнение одной из деталей распылителя не приводит к достаточному увеличению ресурса, поэтому необходимо упрочнять обе детали прецизионной пары. СVD-метод является наиболее перспективной технологией осаждения износостойких покрытий на стальных деталях машин. Он позволяет получать карбидохромовое покрытие с микротвердостью до 19 ГПа (в условиях вакуума 100…0,001 Па) при температурах более 200°C. Анализ имеющихся устройств и обзор патентов известных решений по формированию покрытия из паровой фазы показали невозможность использования этих устройств для восстановления корпуса распылителя. В связи с этим разработаны новая конструкция реактора и схема CVD-установки для осаждения покрытий на внутренних труднодоступных поверхностях корпуса распылителя форсунки. Разработанная CVD-установка учитывает факторы, влияющие на осаждение карбида хрома: термодинамические условия, подача реактива, продолжительность осаждения, параметры установки, адгезия и свойства покрытия. Модернизация CVD-установки обеспечивает получение карбидохромового покрытия на внутренних труднодоступных поверхностях корпуса распылителя форсунки, термодинамическое равновесие химической реакции разложения гексакарбонила хрома при температуре ниже 200°C (ниже уровня низкого отпуска сталей 18Х2Н4ВА, 12Х2Н4А и 40ХН2МА) и контролируемую подачу реакционной среды в труднодоступные зоны формирования покрытий тугоплавких металлов.