С изменением климата политика лидирующих стран мира направлена на декарбонизацию – сокращение выбросов парниковых газов. Основным источником выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве являются двигатели внутреннего сгорания мобильных энергетических средств. Снизить выход токсичных выхлопных газов позволит переход на «зеленые» технологии. В связи с этим для мобильных энергетических средств актуальной является разработка новых экологичных источников энергии (гибридный электропривод, водородные топливные элементы и аккумуляторные батареи). Анализ перспектив декарбонизации мобильных энергетических средств, приведённых в научных статьях и аналитических обзорах, показал, что применение гибридной схемы с дизель-генераторной установкой, накопителями энергии и электроприводом позволяет лишь частично снизить объёмы выбросов выхлопных газов. Современные водородные топливные элементы позволяют получать электрическую энергию без выделения вредных выбросов, но отличаются сложностью изготовления и дороговизной. Для мобильных энергосредств наиболее перспективными источниками энергии являются аккумуляторные батареи. В процессе своей работы они не выделяют токсичные вещества, имеют высокую энергоёмкость и ресурс. Однако при массовом применении требуется проработка вопроса их вторичного использования и утилизации. Результаты проводимых исследований позволили выявить основные тенденции развития мобильных энергетических средств. В долгосрочной перспективе декарбонизация мобильных энергетических средств сельскохозяйственного назначения должна осуществляться за счёт создания энергетических средств малой мощности (до 50 кВт) на аккумуляторных батареях с электрической трансмиссией или средней и высокой мощности (более 50 кВт) на водородных топливных элементах с электрической трансмиссией.

   При внутрипочвенном поливе и внесении удобрений ручные и механизированные гидробуры характеризуются большими трудозатратами и невысоким качеством выполнения технологических операций. Оптимизация и совершенствование процессов внутрипочвенного полива и подкормки растений с использованием роботизированных технологий позволят обеспечить более эффективное и точное воздействие на корневую систему растений. С целью поиска перспектив и возможностей роботизации процессов внутрипочвенного полива и подкормки растений авторами проведён анализ текущих тенденций и предпосылок роботизации процесса внутрипочвенного полива. На основании научных статей, патентов и технических отчётов исследованы технические аспекты и предложена принципиальная схема автоматизированного модуля роботизированной платформы для внутрипочвенного полива и подкормки растений. Установленный на роботизированной платформе гидробур оборудован средствами технического зрения для картографирования и автономного ориентирования в саду, а также пневмоцилиндром, что позволяет использовать его на тяжёлых почвах, осуществлять заглубление с помощью воздуха. Роботизированное устройство может в течение продолжительного времени по заданному алгоритму точно и аккуратно вносить воду и удобрения. Его применение позволяет снизить трудозатраты и повысить качество внутрипочвенного полива и подкормки. Применение роботизированных гидробуров расширяет возможности подпочвенного очагового воздействия на корневую систему растений, способствует улучшению климата почвы, формированию архитектуры корневой системы.

   Производительность доильной установки типа «Карусель» зависит от количества мест доения и продолжительности одного оборота платформы, которой можно управлять. Непрерывное регулирование скорости вращения платформы в зависимости от продолжительности доения каждого впускаемого на платформу животного может привести к усложнению алгоритма и системы управления и повышенным нагрузкам на электропривод – с учётом значительной массы и инерционности вращающейся платформы с находящимися на ней животными. С целью разработки алгоритма адаптивного регулирования скорости вращения платформы конвейерной доильной установки исследована циклограмма доильной установки типа «Карусель» на 36 мест доения при продолжительности оборота платформы 8, 10, 12, 15 мин. Установлено, что увеличение продолжительности оборота платформы с 8 до 15 мин приводит к снижению рециклинга доения с 8,75 до 0 и увеличению среднего значения цикловой производительности установки с 17,5 до 26,75 кор/об. С увеличением продолжительности оборота платформы с 8 до 10 мин средняя часовая производительность установки возрастает с 131,25 до максимального значения 153 кор/ч. При замедлении платформы до 12 и 15 мин/об средняя часовая производительность доильной установки снижается, соответственно, до 133,5 и 107 кор/ч. Наличие максимума в изменении часовой производительности обусловлено, с одной стороны, растущей цикловой производительностью от продолжительности оборота платформы, а с другой – ускоренным её снижением, вызванным соответствующим уменьшением числа оборотов платформы за 1 ч работы установки. На основе проведённых исследований разработан алгоритм адаптивного регулирования скорости вращения платформы конвейерной доильной установки типа «Карусель» с учётом вероятно-статистической оценки продолжительности выдаивания животных. Алгоритм позволяет выбрать оптимальную продолжительность оборота платформы и обеспечить повышение производительности установки с 14,65 до 42,3 % (в среднем на 28 %).

   Промывка и дезинфекция доильного оборудования необходимы для получения качественного молока. При промывке системы доения наиболее проблематичной, затратной и продолжительной является промывка доильных стаканов. С целью оптимизации системы промывки проведены аналитические исследования скорости движения воздушно-гидравлической смеси в доильном стакане. Авторами разработано промывочное устройство доильных аппаратов, включающее в себя подающую систему коллекторного типа для распределения моющего раствора в четыре конусообразные вращающиеся насадки с механически активной поверхностью произвольного вращения. Равномерная и объемная подача моющей жидкости на загрязненную поверхность сосковой резины осуществляется через конусные насадки, на поверхности которых расположены струйные распылители и щетинки, обеспечивающие фрикционную мойку. Коллекторная платформа с насадками позволяет подключать доильные стаканы без разборки доильного аппарата. С помощью электронного пульсатора и клапанным механизмом одностороннего действия можно неразборным методом одновременно промывать молочные шланги и коллектор доильного аппарата. Повышение интенсивности воздействия на внутренние стенки сосковой резины, наполнение подсосковой камеры доильных стаканов промывочной жидкостью и сокращение времени процесса мойки с локализацией циркуляции промывки доильных аппаратов значительно ускоряют дезинфекцию доильных аппаратов, сокращают время промывки как минимум в два раза и снижают расход концентрата пропорционально уменьшению времени промывки для мойки
доильной установки.

   Качество и доступность корма на кормовом столе повышают продуктивность коров. Обеспечить доступность корма можно за счёт увеличения длины кормового стола и применения средств роботизации. Колёсное роботизированное техническое средство, применяемое при раздаче кормов, повышает производительность труда и снижает влияние человеческого фактора на процесс кормления. С целью повышения эффективности процесса раздачи кормов разработаны и испытаны автоматическая система позиционирования и роботизированное устройство для обслуживания кормового стола. Представлено математическое описание кинематических зависимостей движения колёсных роботизированных технических средств. Разработан алгоритм работы автоматической системы позиционирования, учитывающий обеспечение алгоритмической связи исполнительных механизмов электропривода ведущих колёс и системы технического зрения, где обработка изображений осуществляется по интеллектуальному алгоритму распознавания фронта кормления. Разработан принцип построения маршрута движения роботизированного устройства по кормовому столу. Испытания подтвердили соответствие выходных реакций исполнительных устройств роботизированного устройства входным командам автоматической системы позиционирования.

   Тяговое сопротивление дисковой секции лущильника определяет удельные энергетические затраты на обработку почвы. С целью минимизации затрат по определению тягового сопротивления секции в зависимости от параметров лущильника и свойств почвы произведено математическое моделирование взаимодействия секции лущильника с почвой. Построена полуаналитическая модель с учетом неоднородности почвы по глубине и постоянства заглубления, поступательной скорости и угла атаки секции лущильника. Показано, что в случае неоднородности почвы только по глубине ее свойства можно охарактеризовать с помощью двух эмпирических постоянных и коэффициента трения почвы о поверхность дисков. Кинематический параметр дисковой секции, равный отношению окружной скорости на лезвиях дисков к поступательной скорости лущильника, определяется свойствами почвы, относительным заглублением, равным отношению максимальной глубины обработки к радиусу дисков, и углом атаки секции лущильника. Анализ моментов сил сопротивления почвы резанию и трению показал, что в случае пренебрежимо малых сил трения в подшипниках дисков в неоднородной по глубине почве дисковая секция лущильника вращается с угловой скоростью, при которой минимальна потребная мощность секции для обработки почвы. Получены явные выражения для потребной мощности и тягового сопротивления секции лущильника в зависимости от числа дисков, угла атаки секции лущильника, относительного заглубления, радиуса дисков и свойств почвы. По полученным выражениям можно определять тяговое сопротивление секции лущильника со сферическими дисками. Сравнение с опубликованными полевыми экспериментами показало, что максимальная относительная погрешность определения тягового сопротивления дисковой секции лущильника с плоскими дисками при лущении стерни составила 3,3 %, а для дисковой секции со сферическими дисками в почвенном канале погрешность составила 2,6 %.

   Внедрению инновационных информационных технологий в сельское хозяйство способствует эффективная организация информационно-консультационной службы производителей сельскохозяйственной продукции. С целью оптимизации размещения информационно-консультационных пунктов в условиях неопределённости информации о деятельности сельхозпроизводителей разработана математическая модель размещения пунктов информационно-консультационной службы в виде нечёткого ориентированного графа. Для данного графа находятся все нечёткие внешне устойчивые множества с наибольшей степенью внешней устойчивости и среди них выбираются минимальные множества. Для минимизации нечёткого множества используются логические правила нечёткого поглощения элементов множества. Эти минимальные множества определяют оптимальное размещение пунктов, обеспечивающих максимальную степень обслуживания территории. Для обоснования разработанного метода представлен пример определения территориальной структуры консультационных пунктов агропромышленного комплекса Тверской области. В результате решения задачи предложена сеть из 5 информационных пунктов, обеспечивающая степень обслуживания региона 0,9 в условиях неопределённости информации о связях между пунктами. Предложенный метод может найти применение не только в сельском хозяйстве, но и в других областях, где рассматриваются задачи оптимизации размещения на территории пунктов обслуживания населения и оказания услуг. Это могут быть ремонтные мастерские, пункты медицинского обслуживания, объекты сетевого маркетинга, станции сотовой связи.

   Агропромышленный комплекс нуждается в тракторах с электроприводом колёс малого тягового класса, которые более перспективны на фоне растущей стоимости топлива и экологических требований. Однако возникают вопросы о перспективе использования электродвигателей в качестве привода силового агрегата трактора, энергетической оснащённости и общей подготовленности к переходу тракторов на такие системы в условиях текущего состояния энергетических ресурсов на территории РФ. С этой целью представлена методика оценки энергетических и экономических характеристик трактора с электроприводным силовым агрегатом относительно трактора с дизельным двигателем. Введенный показатель – удельная энергетическая стоимость – позволил сравнить параметры тракторов с дизельным двигателем и электроприводным силовым агрегатом. Расчёты показали, что использование вентильного электродвигателя постоянного тока по сравнению с дизелем на средних и низких нагрузках позволит снизить удельную энергетическую стоимость на 5…7 руб/кВт·ч, или на 30…50 %. Расчётами установлено превышение электроэнергетического потенциала в РФ возможных энергетических затрат сельскохозяйственной техники на 300 млрд кВт·ч, что указывает на возможность перехода на электропривод силового агрегата. Однако использование электродвигателей в тракторах без дальнейшего развития энергетических комплексов и накопителей электрического заряда невозможно.

   В современном сельскохозяйственном производстве беспилотные летательные аппараты способны решать множество задач. Для выполнения длительных технологических операций над поверхностью земли целесообразно применять дирижабли. С целью обоснованности рассредоточенного нагрева гелия в рабочем пространстве дирижабля рассмотрено влияние соотношения объёмов, занимаемых нагретым и холодным гелием в рабочем пространстве дирижабля, а также температуры гелия на величину подъёмной силы. В результате расчётов установлено, что рассредоточенный нагрев гелия определяет ускоренное изменение его плотности, обеспечивает уменьшение энергозатрат на нагрев и снижает требования к термической прочности оболочки. Показано, что рассредоточенный нагрев гелия во всем рабочем пространстве дирижабля обладает рядом преимуществ перед локальным нагревом. В разработанной конструкции беспилотного дирижабля техническая реализация рассредоточенного нагрева гелия достигается использованием электронагревательного прибора, токопроводящие элементы которого размещены по всему объёму рабочего пространства на кронштейнах из лёгкого диэлектрического материала. С целью повышения эффективности нагрева внутренняя поверхность оболочки покрыта отражателем из тонкослойной фольгированной базальтовой ваты. Вертикальное маневрирование дирижабля поддерживается автоматически блоком управления посредством подключения электронагревательного прибора в зависимости от температуры гелия и температуры окружающей среды.

   Процесс сушки посевного материала влияет на качество семян. С целью выбора подходящего способа сушки для зелёного горошка проведено исследование по влиянию конвективной и вакуумной сушки, а также комбинации сушки и предварительной микроволновой обработки семян на всхожесть и физико-механические свойства зерна гороха. Конвективная сушка в сушильном шкафу проводилась при температуре 65…70 °C, вакуумная сушка в вакуумно-роторной сушилке – при той же температуре и давлении 0,9 МПа. Предварительная микроволновая обработка семян проводилась при частоте электромагнитного поля 900 МГц и импульсном излучении длительностью 60 с. В качестве свежего образца исследовали замороженный при –20 °C и предварительно бланшированный горох. Механические свойства свежеразмороженного и сушеного гороха измеряли с помощью анализатора текстуры Структурометр СТ-2. Измерения окраски зёрен гороха производились трехфильтровым колориметром КФК-2. Через 24 ч обработки для обоих способов сушки получен абсолютно сухой продукт. В результате сушки геометрический и арифметический диаметры зёрен гороха уменьшились на 21…23 %. При конвективной сушке нарушение сферичности зёрен гороха наблюдалось у 4…5 % зёрен. При вакуумной сушке в сравнении с конвективной сушкой наблюдалось статистически значимое снижение плотности зёрен гороха на 6… % и нагрузки на 50…70 %. Микроволновая обработка семян, и особенно совместно с конвективной сушкой, оказывает статистически значимое влияние на механические свойства и внутреннюю текстуру гороха. Вакуумная сушка в отличие от микроволновой обработки и конвективной сушки не влияет на цвет семян. Вакуумная сушка с предварительной микроволновой обработкой обеспечила наивысшую всхожесть семян гороха 95…97 %. Наибольшая эффективность вакуумной сушки с предварительной микроволновой обработкой семян зелёного горошка позволяет рекомендовать данный вид сушки при уборке и переработке урожая зерновых бобовых культур.

   Сушку зерна после уборки урожая часто проводят в конвективных зерносушилках с СВЧ-воздействием. При проектировании СВЧ-устройств с резонаторами стремятся к достижению максимальной добротности СВЧ-конвективных зон. В связи с отсутствием исследований по влиянию влажности зерна и элементов, расположенных в СВЧ-конвективной зоне, на её добротность авторы статьи исследовали данные зависимости на компьютерной модели. С помощью програмы CST Microwave Studio 2019 получены данные об изменении добротности резонаторов. Применяли методы Time Domain Solver для выполнения расчёта СВЧ-активной зоны в широком диапазоне частот и Eigenmode Solver – для нахождения собственных мод резонансных структур. Компьютерное моделирование проводили в два этапа. На первом этапе оценивали влияние на величину добротности размещения в СВЧ-конвективной зоне волноводов. На втором этапе исследовали изменение добротности СВЧ-конвективной зоны с волноводами и зерном различной влажности (14, 24 и 26 %). Установлена существенная зависимость добротности зоны обработки зерна от особенностей конструкции и размещения в ней технологических элементов, а также от влажности обрабатываемого зерна и его температуры. Авторами дана рекомендация к проектированию СВЧ-конвективной зоны для технологических процессов, заключающаяся в том, чтобы стремиться не к достижению максимума добротности, а к обеспечению равномерного распределения поля СВЧ в активной зоне.

   Обеспечение потребителей высококачественной электрической энергией при минимальных потерях на её передачу является одной из проблем передачи электроэнергии по электрическим сетям. Потери электроэнергии увеличиваются, а качество ухудшается с увеличением реактивной мощности электроприемников, оцениваемой по коэффициенту мощности нагрузки. С целью оценки влияния коэффициента мощности нагрузки на передачу активной мощности нагрузки и определения качества и энергоэффективности передачи электроэнергии по ЛЭП авторами проведен анализ изменения параметров одной фазы трёхфазной сети без компенсации и с компенсацией реактивной мощности. Поставленная задача решалась с использованием методов расчёта линейных электрических цепей переменного тока в соответствии с заданными значениями полной или активной мощности нагрузки, её сопротивлениями и сопротивлениями проводов ЛЭП и моделирования процессов передачи электрической энергии по ЛЭП в электрических сетях переменного тока низкого напряжения в программе Elektronics Workbench. В результате показано, что основные изменения параметров электроэнергетической системы, состоящей из электроприёмников потребителей (нагрузки), получающих электропитание по ЛЭП, подключённой к шинам низкого напряжения силового трансформатора, происходят при изменении величины тока системы, определяемого сопротивлениями нагрузки и линии электропередачи. Качество передачи электрической энергии низкого напряжения зависит от потери напряжения в проводах ЛЭП и определяется током нагрузки и её полным сопротивлением. Энергоэффективность передачи электрической энергии зависит от потери мощности в проводах ЛЭП и определяется величиной активной мощности потребляемой нагрузкой и соотношением активных сопротивлений ЛЭП и нагрузки.