ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ АПК
Оптимальный вариант технологии машинного производства овощных культур, учитывающий экономические аспекты, определяется при всестороннем подборе операций процесса с использованием машинных комплексов хозяйства и наличии современных сортов и гибридов посадочного и посевного материала. Концептуальная технико-технологическая модель машинного производства лука, моркови и столовой свеклы позволит в долгосрочной перспективе развивать отрасль овощеводства и картофелеводства с учетом современных технологий возделывания культур, управления машинно-технологическими комплексами и повышения качества принимаемых технологических и производственных решений при машинном производстве овощей. Разработанная модель включает в себя структурные единицы (сорта, средства защиты, машинно-технологические комплексы), ресурсы (наличие семенного материала, машинно-технологических комплексов производства и севооборота), процессы и показатели качества работы. Модель учитывает совокупность элементов технологического способа получения продукции посредством транспортных, передаточных, диагностических и информационных средств. Представленная модель учитывает процессы производства (очередность, сроки реализации, организацию формы выполнения механизированных работ); требования к материальным, финансовым, трудовым и техническим ресурсам; документацию для каждого этапа работ операций и показатели качества, определяющие результаты работы каждого этапа. Функция машинного производства лука, моркови, столовой свеклы и картофеля, представленная графом, определяет эффективность оптимального варианта машинного производства овощей и оценочную функцию технической характеристики машинного производства овощных культур и картофеля.
Создание интеллектуальных транспортно-технических средств требует совершенствования методического и программного обеспечения многокритериальной оптимизации функциональных свойств инновационных мобильных энергетических средств. Правильный выбор метода оптимизации необходим для построения достоверной математической модели. Анализ методов оптимизации в сельхозмашиностроении и агроинженерии показал возможность применения однокритериальных методов при совершенствовании простых конструкторских параметров одноцелевых задач (разработка деталей и технико-технологических характеристик отдельных объектов). Методы многокритериальной оптимизации применимы для многоцелевых задач с большим количеством функциональных и критериальных ограничений и варьируемых параметров, где каждый параметр не уступает по значимости и важности друг другу (управление сельскохозяйственным предприятием, проектирование мобильных энергосредств, комбайнов и других сельскохозяйственных машин). Методы векторной оптимизации применимы для решения многокритериальных задач с множеством возможных (допустимых) решений (проектирование элементов узлов, агрегатов машин и оборудования сельскохозяйственного производства). Анализ существующих программных средств для решения оптимизационных задач показал необходимость разработки программных пакетов, позволяющих учитывать одновременно до 20 критериальных и функциональных ограничений, до 50 варьируемых параметров и более трех одновременно важных целевых функций, где каждый параметр не уступает по значимости и важности друг другу.
Картофелеуборочные машины неспособны эффективно работать на переувлажненных почвах с влажностью свыше 24 % в связи с забиванием зазоров между прутками элеватора клубнями и глыбами. Совершенствовать картофелеуборочную машину можно с помощью интенсификатора в виде прижимного транспортера с плоскими лопастями, установленными под углом. Рассмотрены условия выталкивания клубня из зазора между прутками сепарирующих элеваторов. Определены оптимальные конструктивные параметры интенсификатора: расстояние между прутками – 30 мм, диаметр прутков – 11 мм; угол наклона лопасти интенсификатора к плоскости ленты транспортера – более 82 °. При этом считается, что при выталкивании клубней зазор между прутком и клубнем составляет не более 5 мм. Исходя из условия повышения полноты сепарации почвы и исключения повреждения клубней картофеля, теоретическими исследованиями установлены кинематические параметры интенсификатора: скорость транспортера – от 0,8 до 1,4 м/с; скорость прутка элеватора – от 1,0 до 1,8 м/с. Скорость соударения клубней картофеля с лопастями, при которой клубни не будут получать повреждения, должна составлять менее 2,2 м/с. Шаг лопастей – 210 мм. Агротехническая оценка полевых испытаний картофелеуборочного комбайна КПК-2-01 с интенсификатором сепарирующего элеватора, проведенная на полях фермерского хозяйства В. Д. Быкова «Радуга» Курской области, показала увеличение полноты сепарации почвы на 8,3 % и снижение повреждения клубней, что позволяет рекомендовать его к применению.
Доильно-молочное оборудование ряда предприятий страны является сильно изношенным. Износ доильного оборудования связан с несоблюдением его технического обслуживания и ремонта. Для оценки надежности отдельных элементов и систем доильных установок на производстве и определения направлений улучшения их эксплуатационных характеристик проведен анализ соответствующего оборудования предприятий Лысковского района Нижегородской области, использующих в своем производстве наиболее распространенные доильные установки линейного типа. Проведен анализ отказов и времени, затрачиваемого на обеспечение работоспособности систем доильных установок. В результате исследования получена структура отказов по различным системам и элементам доильных установок. Рассчитаны значения единичных показателей надежности – наработки на отказ и параметра потока отказов. Определено значение коэффициента готовности, характеризующего одновременно безотказность и ремонтопригодность. Расчет показателей надежности доильных установок показал, что наибольшее количество отказов доильных установок линейного типа приходится на доильные аппараты (41,2 %), на систему первичной обработки молока (16,5 %) и вакуумную систему (11,3 %). В вакуумной системе большая часть отказов приходится на вакуумный регулятор (54,5 %). В молочной системе уязвимыми элементами являются групповые счетчики. В доильных аппаратах на доильные стаканы приходится 45 % отказов, в которых интенсивно изнашивается сосковая резина. Наименьшая наработка на отказ у доильных аппаратов и молочной системы свидетельствует о необходимости совершенствования их конструкций и системы технического сервиса. Для элементов систем первичной обработки молока, промывки доильного оборудования и вакуумной системы время устранения отказов составляет более 2 ч, поэтому рекомендуется организовать обменный фонд запасных частей и агрегатный метод ремонта.
Влияние длительности преддоильной подготовки вымени при машинном доении на показатели молоковыведения коров изучено не в полной мере. С этой целью методом периодов проведено исследование на 14 коровах-первотёлках, подразделенных на две группы по 7 гол.: быстро и медленно выдаиваемых. На установке Astronaut A4 осуществлялось доение коров при условии равенства интервалов между смежными доениями. В зависимости от продолжительности преддоильной подготовки вымени относительно каждой коровы проведено 4 эксперимента: контроль и три опыта (I-III), по 5 наблюдений. Длительность преддоильной подготовки в контроле составила до 120 с, в I опыте – 121-150 с, во II – 151-180 с, в III – более 180 с. Экспериментально установлено, что продолжительность преддоильной подготовки вымени до 120 с способствует оптимальной интенсивности молокоотдачи у быстро и медленно выдаиваемых коров. При более длительной преддоильной подготовке увеличивается продолжительность пребывания коров в доильном боксе на 6,7…32,8 % (P < 0,01) и снижается интенсивность молокоотдачи на 7,0…13,3 % (P < 0,05). Длительность преддоильной подготовки вымени медленно выдаиваемых коров свыше 120 с приводит к снижению разового удоя и интенсивности молоковыведения, увеличению продолжительности доения и средней продолжительности выведения молока из четвертей вымени. У быстро выдаиваемых коров длительность преддоильной подготовки вымени не влияет на показатели молоковыведения, но увеличивает пребывание в боксе на 10,6… 32,8 %.
Для определения оптимальных конструктивных параметров и режимов работы пресс-гранулятора шнекового типа проведены исследования гранулирования предварительно измельченных до 5 мм фракций соевой половы с добавлением зерна сои в качестве связующего вещества. Процесс гранулирования проходил стабильно при температуре ствола пресс-гранулятора 70…80 °С и температуре гранул на выходе 65…70 °С. Контроль влажности проводился в соответствии с ГОСТ 13496.3-92, крошимость гранул – по ГОСТ 23513-79, ГОСТ 22834-87. Проведено 15 опытов в трех повторностях согласно матрице ортогонального центрального композиционного плана второго порядка. Факторами эксперимента являлись толщина матрицы, влажность сырья и массовая доля зерна сои в сырье, критерием оптимизации – крошимость полученных гранул. По результатам эксперимента было получено адекватное уравнение регрессии. Установлено, что в диапазонах влажности сырья 50…60 % и массовой доли размола сои в сырье 15…16,5 % наблюдается наименьший процент крошимости гранул. При зафиксированном значении влажности сырья оптимальная толщина прессующей матрицы соответствует диапазону 27,5…39,0 мм, массовая доля зерна сои в сырье – 15…25 %. При зафиксированной массовой доле зерна сои оптимальные значения толщины прессующей матрицы находятся в пределах 30…40 мм, значения изначальной влажности – 40…60 %. Для получения гранул, состоящих из предварительно измельченной и увлажненной соевой половы и зерен сои, крошимостью не более 12 % толщина матрицы с отверстиями диаметром 10 мм должна быть 30…40 мм, массовая доля сои в сырье должна соответствовать 15…16,5 %, влажность сырья – 51…60 %.
Представленное экспериментальное исследование служит основой разработки дозатора к роботизированному устройству для обслуживания кормового стола на животноводческих комплексах. Во введении проанализированы тенденции развития машин для внутрихозяйственного производства комбикормов с использованием дозирующего и весового оборудования, описаны роль и ключевые индикаторы эффективности использования комбикормов собственного производства для животноводческих комплексов. Представлены способ оптимизации конструктивных параметров шнековых дозаторов кормовых добавок, принципиальная схема и фотоснимок экспериментальной установки. Для управления электродвигателем экспериментальной установки была разработана математическая модель, учитывающая частоту оборотов электродвигателя. В качестве математического аппарата для обработки экспериментальных данных, построения поверхностей отклика и регрессионных уравнений использовалась математическая модель второго порядка. Эксперимент предполагал 5-кратное весовое измерение погрешности дозирования кормовых добавок для каждого типа конструкции шнека.
При возделывании пропашных культур на выработанных торфяниках, вводимых в сельскохозяйственный оборот с использованием черной культуры земледелия, послепосевная обработка почвы (боронование, междурядное рыхление, окучивание и прореживание растений в рядках) изменяет теплофизические свойства торфа, создавая предпосылки к возникновению торфяного пожара. С целью изучения температурно-влажностного режима верхнего пожароопасного слоя торфяной почвы на осушенном поле, используемом под овоще-кормовой севооборот, проведены экспериментальные полевые исследования на осушенном болоте «Кальское» Рязанской области. Торфяная почва находилась в зоне подпитывания грунтовыми водами. Измерения параметров почвы проводились ежедневно на ее поверхности и в верхнем слое 0…5 см. Для мониторинга за состоянием торфяника применялось устройство, включающее в себя регистрирующий блок и четыре терморезистора. При моделировании самовозгорания и вынужденного зажигания торфяной почвы использованы результаты экспериментальных полевых исследований. На основе полученных практических данных предложены математические зависимости для расчета возможности самовозгорания торфяных почв. Предложен критерий неравномерности нагрева, позволяющий определить начало процесса самовозгорания. Расхождение экспериментальных и расчётных данных температурного режима торфяной почвы составило от 2,2 % до 15,6 %. Разработанные математические зависимости позволяют проводить прогнозные расчёты возможности возникновения пожаров на торфяных почвах. Предложена схема нового способа мониторинга пожароопасной обстановки, основанного на критерии неравномерности нагрева, позволяющего принять предупредительные меры и не допустить возгорания торфяной почвы на сельскохозяйственных угодьях.
Методика расчета нормативных затрат, базирующаяся на нормативных документах, необходима для выполнения государственной работы по определению функциональных характеристик (потребительских свойств) и эффективности сельскохозяйственной техники и оборудования. Применен медианный метод расчета. В нормативные затраты включены оплата труда работников с начислениями на выплаты по оплате труда, затраты на приобретение материальных запасов, движимого имущества (основных и нематериальных активов), коммунальные услуги и др. Особенности расчета нормативных затрат по этой государственной работе заключаются в проведении испытаний по 40 группам машин (внутри каждой группы – несколько моделей), на 10 МИС, работающих в различных регионах страны. Первоначальные расчеты показали значительную (до 50…60 %) разницу в нормативных затратах по одноименным группам машин на МИС. В ходе валидации методики в нее были внесены корректировки: при расчете затрат на оплату труда использовалась среднемесячная номинальная заработная плата работников по растениеводству и животноводству; для учета горюче-смазочных материалов – нормы часового расхода топлива трактора соответствующего класса, умноженного на плановую наработку, необходимую для получения оценки функциональных показателей соответствующей группы машин. После корректировки нормативные затраты по одноименным группам машин на МИС составили 8…10 %. Результаты валидации методики позволяют рекомендовать её для расчета нормативных затрат машиноиспытательных станций Минсельхоза России при разработке государственных заданий.
Разработка универсальных диагностических параметров, обладающих повышенной информативностью и возможностью оперативной регистрации и обработки, позволит оценить текущее состояние отдельных элементов и объекта диагностирования в целом. В качестве универсального диагностического параметра, характеризующего техническое состояние двигателя внутреннего сгорания, предлагается использовать импульс реакций опор двигателя, величина которого зависит от частоты вращения коленчатого вала. На лабораторной установке, включающей в себя дизельный четырехтактный четырехцилиндровый двигатель Д-243 и комплект измерительной аппаратуры, авторами исследовался процесс изменения импульса реакций опор двигателя внутреннего сгорания при изменении частоты вращения коленчатого вала в режиме холостого хода. При проведении исследований применялись методы регрессионного, системного и статистического анализа. Установлено, что в диапазоне частоты вращения коленчатого вала 600…2200 мин–1 максимальное значение реакций опор за каждый такт работы двигателя изменяется с 345 до 122 Н. В диапазоне 600…1000 мин–1 минимальное значение реакций опор за каждый такт работы двигателя изменяется с –272 до –305 Н и увеличивается до –109 Н при максимальной частоте 2200 мин–1. Максимальный импульс реакций опор наблюдается при частоте вращения коленчатого вала 1000 мин–1 и составляет в среднем для положительных и отрицательных реакций опор соответственно 17,34 и –17,35 кНс. При максимальной частоте вращения коленчатого вала импульс реакций опор достигает для положительных и отрицательных реакций опор соответственно 9,28 и –9,29 кНс. Полученные результаты могут использоваться для совершенствования методов диагностирования двигателей внутреннего сгорания, так как позволяют исключить влияние частоты вращения коленчатого вала на результат измерений.
Выбор параметров электромеханической трансмиссии для трактора тягового класса 0,6-0,9 проводится на основе анализа тягово-сцепных характеристик полнокомплектной машины. Авторами произведены теоретические расчеты характеристик рабочих процессов трактора-прототипа с двигателем внутреннего сгорания и трактора-макета с электрическим приводом, тяговый расчет трактора-прототипа и трактора-макета, расчет характеристик электропривода и электродвигателей. Для проведения расчетов выбрана 6-ступенчатая механическая коробка переменных передач. Исходные данные для выполнения расчетов получены по результатам тяговых испытаний тракторов в Северо-Кавказской МИС. Выбраны два профильных фона опорного основания: поле под посев (пар) и стерня. В результате исследований установлено, что трактор-макет, созданный на базе самоходного шасси тягового класса 0,6…0,9 мощностью до 50 кВт, на фоне «Поле, подготовленное под посев» реализует наибольший тяговый КПД (0,53) с электродвигателем 15 кВт и максимальное крюковое усилие (5,78 кН) с электродвигателем 18 кВт. На фоне «Стерня» для электродвигателей 15, 18 и 22 кВт тяговый КПД составляет 68 %, но трактор-макет с электродвигателем мощностью 22 кВт может реализовать максимальное крюковое усилие, равное 11,35 кН. Максимальная тяговая мощность 16,7 кН отмечена у трактора-прототипа с двигателем внутреннего сгорания. Следовательно, наиболее подходящей заменой ДВС по тяговому КПД может быть только электродвигатель мощностью 15 кВт.
ТЕХНИЧЕСКИЙ СЕРВИС В АПК
Традиционные технологии восстановления деталей, реализуемые в современном ремонтном производстве, не в состоянии обеспечить их необходимую износостойкость в связи с отсутствием современной номенклатуры присадочных материалов с высокими прочностными и технологическими свойствами. Вопросы поиска инновационных материалов и технологий их нанесения на поверхности изношенных деталей являются актуальными и требующими фундаментального исследования. Исследовались физико-механические свойства керамических покрытий, полученных короткоимпульсной лазерной обработкой композиций 5 составов: на основе карбида бора B4C, дополнительно легированных нитридом бора (0…40 % BN), оксидом магния (2…10 % MgO) и лития (5…25 % LiO). Лабораторные образцы покрытий получали на поверхности образцов из сталей 40Х, 35ХГСА. Научная новизна исследований заключается в применении технологий селективного лазерного спекания при формировании тонких покрытий (до 200 мкм) в условиях короткоимпульсного лазерного оплавления порошковых сред. Физико-механические свойства керамических покрытий оценивались на основе анализа микротвёрдости, микроструктуры и трибологических показателей работоспособности с использованием современных методик и приборного обеспечения. Результаты исследований подтверждают возможность практической реализации покрытий на основе керамических соединений. Многослойное керамическое покрытие (B4C-BN-MgO-Li2O) толщиной до 200 мкм показало хорошую прирабатываемость, низкий коэффициент трения (0,18) и возможность работы в условиях высоких динамических нагрузок при отсутствии интенсивной смазки. Структура керамических покрытий без видимых дефектов имеет плотную адгезионную зону. Результаты физико-механических свойств керамических покрытий имеют высокий научный потенциал и практическую значимость, а их применение позволит повысить долговечность деталей машин в условиях эксплуатации.
ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
Показатели надежности воздушных линий электропередачи 0,4-110 кВ необходимо корректировать в связи с отсутствием данных о современных значениях показателей надежности электрооборудования энергосистем. Проведенный авторами анализ официальных статистических данных по количеству аварийных и плановых отключений в филиалах ПАО «Россети Центр» и «Россети Центр и Приволжье» выявил отклонения показателей надежности электрооборудования энергосистем и электрических сетей от представленных в РД 34.20.574 и отсутствие в стандарте значений среднего времени простоя при преднамеренных отключениях воздушных линий электропередачи 0,4 кВ и 6-10 кВ. Определены значения показателей надежности воздушных линий электропередачи 0,4-110 кВ. Поток отказов ВЛ 0,4 кВ составил 6,2…7,04 год-1/100·км, ВЛ 6-10 кВ – 5,27…8 год-1/100·км. Полученный для филиала «Орелэнерго» поток отказов ВЛ 35 кВ составил 0,57 год-1/100·км, а ВЛ 110 кВ – 2,83 год-1/100·км. Расчетное значение среднего времени восстановления для сетей 0,4 кВ составило 1,88 ч; для сетей 6-10 кВ – 3,1 ч; 35 кВ – 6,8 ч; 110 кВ – 9,5 ч. Расчетное значение среднего числа преднамеренных отключений для сетей 0,4 кВ составило 0,1 год-1; для сетей 6-10 кВ – 0,72 год-1; 35 кВ – 0,4 год-1; 110 кВ – 0,51 год-1. Среднее время простоя при преднамеренных отключениях ВЛ 0,4 кВ составило 13,6 ч, а ВЛ 6-10 кВ – 10 ч, расчетное среднее время простоя при преднамеренных отключениях ВЛ 35 кВ – 24,7 ч, ВЛ 110 кВ – 37,6 ч. Полученные данные позволяют уточнить современные значения надёжности электрических сетей 0,4-110 кВ и использовать их при планировании мероприятий по развитию сетей и их реконструкции.
Размер драже без остановки процесса наращивания оболочки можно определить по величине диэлектрической проницаемости дражируемой массы. Для подтверждения данной гипотезы составлены и проанализированы математические выражения, характеризующие соотношения объемов материалов оболочки драже, объектов дражирования и воздуха. При теоретическом исследовании процесса наращивания оболочки сделаны допущения об одновременном увеличении диаметра объектов дражирования и о шарообразной форме образующихся драже. Расчеты производились на примере плоских электродов с размещенной между ними дражируемой массой. Дражируемая масса рассматривается как материальная субстанция, заполняющая пространство между обкладками конденсатора и обладающая переменной диэлектрической проницаемостью. Установлено, что увеличение размера драже приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости дражируемой структуры. Доказано, что диэлектрическая проницаемость среды является функцией диаметра объекта дражирования и также зависит от количества находящихся между пластинами объектов. Выявленная зависимость использована для получения информации о наращивании оболочки в непрерывном режиме. В производственных условиях измерение диэлектрической проницаемости дражируемой массы может осуществляться по величине переменного электрического тока, протекающего через анализируемую среду.
ISSN 2687-1130 (Online)