Оператор машинного доения при обслуживании роторно-конвейерной доильной установки молочных комплексов на 1200…3000 и более коров испытывает повышенные психологические и физические нагрузки. Общий функционал человека-оператора машинного доения включает в себя информационно-управляющий (оценка физиологического состояния, статусов животного, передача сигналов с доильного поста в центральный компьютер и др.) и физический функционал по выполнению ручных операций (обработка вымени и сосков животных, подключение доильных аппаратов). Анализ эргономичности труда операторов машинного доения на установках «Карусель» показал, что суммарная работа оператора в расчете на 1 корову на установке с внутренним доением по типу «Ёлочка» (36,62 Дж) выше, чем при внешнем доении по типу «Параллель» (26,42 Дж), ввиду большей составляющей по перемещению доильного аппарата (22,9 против 12,7 Дж). Энергоемкость труда у 3 операторов в расчете на 1 корову является различной: при внутреннем доении («Ёлочка») нагрузка составляет 3,92; 30,74; 1,96 Дж, при внешнем доении («Параллель») – 3,92; 20,54; 1,96 Дж. Физическая нагрузка операторов за рабочую смену также различается: при работе 3 чел. энергозатраты оператора при внутреннем доении («Ёлочка») варьируют от 1372 (у третьего оператора) до 37807 Дж (у второго оператора); для 2 операторов (без операции обработки сосков после доения) нагрузка является одинаковой – от 24262 до 33964 Дж. При работе 3 чел. на «Карусели» типа «Параллель» диапазон энергозатрат составляет от 1918 до 43134 Дж, с 2 операторами – от 23968 до 51366 Дж. Допустимый верхний предел для операторов-мужчин (не более 50000 Дж) превышен в случае внешнего доения и максимальной производительности 300 гол/ч; для операторов-женщин (не более 30000 Дж) у всех вторых операторов при максимальной производительности «Карусели» с внутренним доением – 140 гол/ч, внешним доением – 300 гол/ч. Перегруженность операторов доильных установок роторного типа необходимо учитывать при организации их работы и дальнейшей модернизации установок.

Технология цифровых двойников (ЦД) пока недостаточно распространена в сельском хозяйстве. Внедрение адекватной модели цифрового двойника позволит сократить издержки при разработке, внедрении и обслуживании сельскохозяйственной техники. Основной проблемой при разработке цифровых двойников в сельском хозяйстве является высокая потребность проекта в ресурсах: от этапа создания лабораторного прототипа до пилотных и полевых испытаний прототипов сельскохозяйственных объектов. С целью сокращения затрат ресурсов при производстве образцов от идеи до серии и при дальнейшем их использовании в течение всего срока службы авторами предложена технология виртуального полигона с созданием цифровых образцов сельскохозяйственных машин (оборудования/деталей) для проведения виртуальных испытаний. Цифровые двойники в сельском хозяйстве разрабатываются с учетом обмена информации между цифровым двойником и физическим объектом. Таким образом, обеспечивается адекватность цифрового двойника в режиме реального времени изменения параметров цифрового двойника и достигается максимальное соответствие физического объекта цифровой копии. Применяя сформированные большие данные и искусственный интеллект, можно разрабатывать системы, которые в зависимости от изменения параметров физического и цифрового объекта автоматически изменяют параметры функционирования узлов/деталей/машин, что позволяет добиться наибольшей их эффективности. На примере животноводческой фермы и роботизированного доения рассмотрены возможные способы применения технологии ЦД. Предложен способ внедрения метода взаимодействия цифрового двойника с физическим объектом в лабораторные и натурные испытания. Разработанная технология цифровых двойников позволяет оставлять цифровую тень, иметь двухстороннюю связь между ЦД и испытываемым физическим объектом. Представленная концепция виртуального полигона дает возможность проводить виртуальные испытания сельскохозяйственных машин, изделий, технологий и систем.

Проблема поиска оптимального соотношения массы, мощности и рабочей скорости была и остается актуальной задачей со времен формирования основ земледельческой механики. Концепция развития, направленная на повышение производительности и рабочих скоростей машинно-тракторных агрегатов, привела к росту единичной мощности и увеличению массы машин. Анализ тенденций развития тракторов и самоходных машин показал ежегодное увеличение средней мощности вновь созданных тракторов на 2…4 л.с. Реализация потенциала техники повышенной энергонасыщенности возможна за счет дополнительного роста массы машин, увеличивающего уплотнение почвы. Критические напряжения, достигающие значительной глубины, не способствуют процессу полной релаксации почвы. В необрабатываемом слое формируется почвенный горизонт от 25…30 до 100…120 см (с твердостью, соответствующей глиняной укатанной дороге), ограничивающий зону развития корневой системы растений и нарушающий фильтрацию почвы. Интенсивное использование энергонасыщенных агрегатов и самоходных машин привело к накопленному переуплотнению необрабатываемого слоя более 60% пахотных земель. Переуплотнение почвы по следу колес приводит к снижению урожайности зерновых культур на 10% и корнеклубнеплодов на 20%. При модернизации или создании новых образцов машин предлагаем в технико-экономическом обосновании учитывать негативные экологические последствия применения агрегатов и переработать нормативно-методические документы по оценке удельных давлений на почву движителей самоходных машин. Необходимо снижать машинную нагрузку на почву, применяя машины меньшей массы и реализуя мероприятия по разуплотнению подпочвенного горизонта. Следует обосновать параметры и создать линейку роботизированных энергетических систем, комплекс рабочего оборудования и систему управления на принципах мультиагентного управления ансамблями динамических объектов применительно к сельскохозяйственному производству.

Техническое обслуживание отечественной сельскохозяйственной техники осуществляется преимущественно с помощью бумажного документооборота, что приводит к увеличению затрат времени на управленческие операции. Сельскохозяйственные предприятия остаются за гранью автоматизации и цифровизации управления техническим сервисом машин. Низкая адаптация существующих программных продуктов к специфике отечественного сельскохозяйственного производства не позволяет применять автоматизированные CMMS и EAM-системы, используемые в других отраслях для управления надёжностью эксплуатируемого оборудования. Авторами предложено программное обеспечение с набором функций, аналогичных функционалу известных CMMS-систем. Программное обеспечение включает в себя программу «Агрокомплекс “АСУТО”» в сочетании с ранее разработанными программами складского учёта «Агрокомплекс “Ресурсы”» и программой учёта работы и потребления топлива машинно-тракторным парком «Агрокомплекс “МТП”». Разработанная модель данных автоматизированной системы адаптирована под потребности инженерных работников, отвечающих за работоспособность сельскохозяйственной техники. Практическая проверка автоматизированной системы осуществлялась на сельскохозяйственном предприятии с парком 25 тракторов. Выявлено положительное влияние внедрённого в производство программного обеспечения на надёжность машин. Полученные результаты показали повышение эксплуатационной надёжности сельскохозяйственной техники и снижение трудоёмкости управления сервисными процессами при автоматизации инженерной деятельности. Применение автоматизированной системы позволило снизить затраты времени на управление техническим обслуживанием на 35…38% и вероятность пребывания тракторов в простое по техническим причинам на 26%, увеличив при этом вероятность пребывания техники в работоспособном состоянии на 1,81%. Исследования могут быть полезными для разработчиков EAM-систем управления техническим обслуживанием и ремонтом сельскохозяйственной техники.

Математическое моделирование детонации, прогнозирующее самовоспламенение топливно-воздушной смеси, упрощает регулирование двигателей и позволяет находить эффективные методы улучшения антидетонационных свойств двигателей. Анализ расчётной модели термодинамического цикла поршневого двигателя с искровым зажиганием, приближенной к действительному циклу, позволяет с достаточной точностью определять во времени изменения текущего давления цикла и температуры несгоревшей части заряда. Модель учитывает теплообмен между зонами горения заряда и стенками камеры сгорания. Начало детонации связано с моментом самовоспламенения несгоревшей части заряда и определено в зависимости от термодинамических параметров несгоревшей части заряда и кинетического механизма предпламенных химических процессов в топливно-воздушной смеси. Показано, что математическое моделирование механизма развития самовоспламенения несгоревшей части заряда в поршневых двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием можно выполнять так же, как и моделирование механизма развития самовоспламенения топливно-воздушной смеси в условиях продолжающегося сжатия в установках со свободно летящим поршнем. Точность расчёта самовоспламенения по модели цикла проверена экспериментально путём индицирования на различных скоростных режимах при различных коэффициентах избытка воздуха и наполнения, различных температурах смеси во впускном трубопроводе. Результаты моделирования проверены экспериментально на изооктане и октановой смеси (60% изооктана), и на товарных бензинах. Установлено, что при невысокой степени сжатия (до 5‑7) преобладает низкотемпературный механизм самовоспламенения, при больших степенях – высокотемпературный механизм. Граница возникновения детонации в ДВС может быть определена по моменту самовоспламенения (взрыва) в несгоревшей части заряда при остаточной цикловой доле несгоревшего топлива не менее 10%.

Разработка цифровых технологий, позволяющих совершенствовать процесс диагностирования, повышать достоверность определения функциональных характеристик сельскохозяйственной техники в режиме реального времени, является важной и актуальной при техническом сопровождении энергонасыщенных машин. С целью разработки интеллектуальной системы удаленного диагностирования двигателей энергонасыщенной сельскохозяйственной техники применялся конструктор нейросетей с возможностью использования до 10 входных и выходных параметров. Разработаны алгоритм цифровой системы удаленной диагностики, схема модели прогнозирования отказов при онлайн-мониторинге и цифровая платформа по диагностированию энергонасыщенной сельскохозяйственной техники. Разработанная платформа позволяет получать диагностические параметры ДВС (расход топлива, температуру двигателя и частоту вращения вала двигателя), которые в виде зашифрованных данных удаленно передаются на сервер с помощью GPS-модема и оцифровываются в банке данных, где происходит структурирование и анализ полученных данных при помощи разработанной модели искусственной нейронной сети. Расшифрованные диагностические параметры ДВС направляются оператору, который видит графики параметров технического состояния сельскохозяйственной техники и отчеты по прогнозированию возможных отказов деталей ДВС. Представлен способ сбора и хранения диагностической информации, полученной в результате мониторинга технического состояния сельскохозяйственной техники, и с помощью математической модели нейронной сети проведена обработка этих данных. Применение цифровых технологий при диагностировании техники с помощью искусственного интеллекта позволяет значительно сократить трудоёмкость выполняемых операций, оценить эффективность работы машины в целом и прогнозировать наступление отказов её механизмов, производить своевременное техническое обслуживание и ремонт машин и сократить незапланированные простои энергонасыщенной сельскохозяйственной техники.

Снижение массы сублимированного картофеля в 4 раза, увеличение срока хранения в десятки раз и устойчивость сублимированного продукта к перепадам температур обуславливает развитие производства сублимированных овощей. С целью изучения качественных показателей клубней картофеля до сублимационной сушки и после нее с помощью стандартных методик проведены исследования отечественных и зарубежных сортов включая сорта с пигментированной мякотью и кожурой. Сублимационная сушка клубней картофеля проводилась в вакуум-сублимационной установке УСС‑5 в два этапа: быстрое замораживание пластинок образцов толщиной 2..3 см до –30°C в течение 4 ч и нагрев до +50°C в течение 2,5 ч. Клубни сырого картофеля и сублимированные образцы исследовались на содержание антиоксидантов, фенолов и флавоноидов с использованием стандартных методик. Результаты биохимического анализа показали суммарное содержание спирторастворимых флавоноидов в свежей мякоти картофеля в пересчете на кверцетин 0,08…1,13 мг/г сырой массы, в сублимированных образцах – 0,22…1,46 мг/г сухой массы; суммарное содержание низкомолекулярных антиоксидантов в свежей мякоти от 0,12 до 1,92 мг/г сырой массы, фенольных соединений в сублимированных образцах от 0,55 до 4,63 мг/г сухой массы в эквивалентах галловой кислоты. Исследован уровень поглощения влаги сублимированными ломтиками клубней картофеля. Насыщение влагой пластинок сублимированного картофеля при погружении в воду комнатной температуры наступило в течение 60 мин. Сублимационная сушка не повлияла на содержание антиоксидантов в клубнях картофеля, что позволяет использовать этот метод для создания продуктов здорового питания.

Урожайность зерна кукурузы зависит от приёмов обработки почвы в технологии ухода за широкорядными посевами. С целью комплексной оценки применения различных комбинаций рабочих органов культиватора проведены двухлетние исследования по совершенствованию технологии возделывания кукурузы на зерно путём оптимизации системы механизированного ухода за широкорядными посевами. Суть оптимизации заключается в изменении комбинации рабочих органов в комбинированном почвообрабатывающем агрегате с изменением ширины их расстановки по ширине междурядья и глубины обработки профиля почвы. Комплексная разноглубинная обработка почвы способствует уничтожению сорняков с большей площади междурядья и создает оптимальные условия роста и развития растений кукурузы. Применение в 2021 г. почвообрабатывающего агрегата с комбинацией рабочих органов: двух односторонних плоскорежущих лап (бритв) с перекрытием кромки рабочего органа, стрельчатой лапы по центру междурядья – позволило достичь урожайности кукурузы 3,62 т/га. По сравнению с другими видами обработки прибавка составила от 0,61 до 1,10 т/га. В этот год по сравнению с 2022 г. в ранние фазы роста и развития растений кукурузы и закладки генеративных органов в период с апреля по май наблюдалось избыточное увлажнение, а в июне, июле – недостаток влаги. В 2022 г. применение двух универсальных стрельчатых лап с перекрытием кромки рабочего органа, игольчатых дисков по центру междурядья обеспечило урожайность 9,15 т/га. По сравнению с другими видами обработки прибавка составила от 0,33 до 1,99 т/га. Формированию высокого уровня урожайности в 2022 г. способствовали избыточное увлажнение в период с апреля по июнь и накопление влаги в почве. Выбор комбинации рабочих органов должен определяться погодными условиями.

Надежность современных уплотнительных узлов сельскохозяйственной техники является недостаточной. Вследствие износа поверхности вала и манжеты при эксплуатации уменьшаются натяги в подвижном соединении, что приводит к началу утечек и отказу узла. Утечки технических жидкостей в агрегатах составляют 20…30% от общего числа отказов, в межремонтный период отказ уплотнений встречается в 1,5 раза чаще, чем у новой техники. Методика комплектования деталей соединений валов с манжетами позволит назначать рациональные ремонтные размеры валов и подбирать к ним манжеты. С целью её разработки рассмотрены основные направления обеспечения эксплуатационной надёжности соединений валов, в том числе прогрессивные способы восстановления поверхности вала. При разработке методики исследовались 100 изношенных первичных валов коробки передач двигателя ЯМЗ‑239 и 100 новых манжет 1.2‑52´72‑8. Произведено измерение изношенной поверхности вала под манжету и внутренних диаметров отверстий манжет. Износ поверхности вала под манжету достигал 0,5 мм, а вероятность появления валов, имеющих износ более допустимого 51,7 мм, составила 33%. При сборке изношенных валов с новыми манжетами разброс натягов составлял от 1,7 до 3 мм. При этом граница наименьшего натяга, равного 2 мм, нарушена у 15% соединений. В соединениях новых манжет с валами, обработанными под ремонтный размер 51,4 мм, разброс натягов находился в диапазоне от 1,6 до 3 мм, при этом граница наименьшего натяга нарушена у 20% соединений. По критерию сохранения наименьшего натяга в соединении апробирована методика комплектования деталей соединений «Вал-уплотнение», включающая в себя расчет числа групп, назначение ремонтных размеров вала и подбор к ним диаметров манжет. В результате вероятность появления соединений с гарантированным натягом не менее 2 мкм составила 88%. Следовательно, предлагаемая методика комплектования валов и манжет позволяет обеспечить долговечность соединений «Вал-уплотнение» на уровне новых.

Манжеты резиновые армированные служат в качестве уплотнений подшипниковых узлов. Надёжная работа обеспечивается прижатием рабочей кромки манжеты к валу. На контактную нагрузку в соединении влияет усилие, создаваемое браслетной пружиной. Представленная методика позволяет определить удельную контактную нагрузку рабочей кромки манжеты на вал от браслетной пружины в зависимости от параметров манжет и пружин. Для проверки адекватности методики исследована партия манжет армированных 1.1‑45×65‑1 ГОСТ 8752‑79 в количестве 25 шт. Теоретические расчеты контактного усилия от действия пружины составили 2,64…3,804 Н, удельные контактные нагрузки – 0,098…0,153 Н/мм, а по экспериментальным данным – соответственно 2,75…3,50 Н и 0,102…0,141 Н/мм. Высокая сходимость подтверждает верность представленных расчётных зависимостей. Установлено, что параметры манжет имеют большой разброс, что не позволяет достаточно точно рассчитать удельную нагрузку в соединении «Вал-манжета». Для увеличения точности показаний необходимо уменьшать допуски на размеры резинотехнических изделий.

Очистка и мойка загрязнённых поверхностей деталей машин являются актуальными при ремонтном производстве. Повышение эффективности процесса очистки металлических деталей возможно при использовании комбинации погружного, струйного и ультразвукового методов. Многообразие конструкций моющих машин и установок, использующих разные методы очистки, требует определения оптимальных технологических параметров и режимов процесса, а также выявления эффективного моющего раствора. С этой целью проведен эксперимент относительно процесса очистки металлических деталей от остатков смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) в погружных моечных машинах с применением ультразвуковых колебаний. Для очистки металлических деталей от остатков СОЖ исследовались растворы димера, лабомида и кальцинированной соды. Для интенсификации процесса мойки металлических деталей использовалась ультразвуковая установка УЗДН-А с постоянной частотой колебаний. Степень очищения металлических деталей оценивалась отношением массы загрязнителя, удаленного с ее поверхности, к его начальной массе (в процентах). Полученные математические модели степени очистки металлических деталей (для марок конструкционных углеродистых сталей и цветных металлов) от СОЖ позволили определить оптимальные технологические параметры: концентрация моющих растворов – 15…20%; рабочая температура для димера – 20…30°C, для лабомида – 70…80°C, для кальцинированной соды – 80…90°C. Установлено, что наиболее энергоэффективным и безопасным моющим раствором является димер, а применение лабомида при ультразвуковом очищении нецелесообразно ввиду его повышенного пенообразования. Также установлено, что время мытья (нахождение металлических деталей в машине) и количество масла на поверхности металлических деталей существенно не влияют на степень очистки.

Особые условия эксплуатации электродвигателей в агропромышленном комплексе приводят к их высокой аварийности. Внедрение частотных преобразователей приводит к необходимости анализа теплового состояния электрических машин в неноминальных и аварийных режимах работы и разработки адекватной компьютерной модели процесса функционирования электропривода в различных режимах работы. Созданная авторами тепловая компьютерная модель на основе расчетов всех потерь в электрической машине дает возможность проанализировать аэродинамику машины и температурные режимы. В результате реализации модели с помощью программного продукта Comsol установлены скорости и направления воздушных потоков в отдельных составляющих электродвигателя. Отмечено, что скорость воздушного потока резко изменяется: в начале воздушного канала она составляет 14 м/с, в конце – до 3 м/с. Интерфейс мультифизика программного продукта объединяет расчеты аэродинамики и тепловое исследование. Результаты теплового анализа показали, что при номинальном режиме работы максимальная температура корпуса составила 43°C, а температура лобовой части обмотки статора – 112°C. Исследования переходного процесса пуска электродвигателя показали неравномерность нагрева передней и задней частей обмотки статора, разница температур составила 3°C. Полученная тепловая компьютерная модель позволяет установить влияние потерь в машине, состояния окружающей среды, конструктивных элементов электродвигателя на температуру отдельных составляющих объекта исследований, а также оценить изменение эксплуатационных условий работы и регулирование скорости вращения ротора. Обнаружение более нагретой части машины дает возможность правильно установить датчики температуры устройств аварийной защиты.

В системе профессионального образования, остаётся актуальной проблема надёжной и достоверной оценки степени сформированности компетенций выпускников, а также разработки инструментов, позволяющих сделать это максимально объективно. Одним из показателей при проведении аккредитации образовательной организации является доля обучающихся, выполнивших определённые условия проведения с ними диагностической работы, которая формируется из фондов оценочных средств. Целью исследований стало выявление и обоснование диагностических возможностей фондов оценочных средств для повышения качества профессионального образования. В ходе исследований проводился анализ практики разработки и применения фондов оценочных средств для направления подготовки 35.03.06 – Агроинженерия в ряде аграрных вузов России: Волгоградском государственном аграрном университете, Кузбасской государственной сельскохозяйственной академии, Белгородском государственном аграрном университете имени В.Я. Горина, Иркутском государственном аграрном университете имени А.А. Ежевского и в Ульяновском государственном аграрном университете имени П.А. Столыпина. В исследовании приняли участие 365 студентов. Комплекты оценочных средств включали в себя по 40 вопросов из дескрипторов, отражающих сформированность нескольких общепрофессиональных компетенций. Наибольшие трудности возникли у обучающихся при прохождении тестов, включающих в себя вопросы, отражающие содержание нескольких компетенций. Для обеспечения соответствия подготовки выпускников требованиям государственной аккредитации образовательной деятельности обоснованы направления модернизации содержания и методики обучения студентов с учётом тенденций развития компетентностного подхода в теории и практике профессионального образования.