Научно-методологическое обоснование технологий и технических средства возделывания и уборки картофеля на основе объектно-ориентированного моделирования Камалетдинов Рим Рашитович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Состояние проблемы и задачи исследования 21

1.1 Перспективы устойчивого развития картофелеводства в России 21

1.2 Основные тенденции совершенствования технологий и средств механизации возделывания и уборки картофеля 32

1.3 Виды формализованных описаний рабочих процессов сельскохозяйственных машин 46

1.4 Методы оценки технологических операций в оптимизационном пространстве качества 53

1.5 Постановка проблемы и задачи исследования 58

ГЛАВА 2. Теоретико-методологическое обоснование объектно-ориентированных модельных построений 61

2.1 Основные положения объектно-ориентированного анализа 61

2.2 Концептуальные основы объектно-ориентированных модельных построений 66

2.3 Энтропийные методы анализа рабочих процессов сельскохозяйственных машин 94

2.4 Оценка стабильности технологических операций возделывания картофеля 98

2.5 Методология объектно-ориентированных построений в среде теории информации 105

2.6 Разработка и анализ объектно-ориентированной модели рабочего процесса картофелеуборочной машины 116

2.6.1 Объектно-ориентированное модельное представление рабочего процесса картофелеуборочной машины 116

2.6.2 Анализ значимости помехобразующих факторов 125

Выводы по главе 2 129

ГЛАВА 3 Оптимизация процесса подкапывания клубненосного пласта и конструктивно-технологических параметров подкапывающих рабочих органов 132

3.1 Влияние состояния клубненосного пласта и глубины хода лемехов на эффективность работы картофелеуборочных машин 132

3.2 Разработка объектно-ориентированной модели и анализ процесса подкапывания клубненосного пласта 141

3.3 Обоснование рациональных параметров подкапывающего лемеха с замедлением 148

3.3.1 Выбор частотных характеристик механизма копирования 148

з

3.3.2 Разработка виртуальной модели и машинный анализ достоверности априорных выводов 156

3.4 Экспериментальная оценка эффективности работы копирующего лемеха с замедлением 165

3.4.1 Приборы и оборудование для регистрации и обработки данных 165

3.4.2 Результаты экспериментальных исследований копирующего лемеха с замедлением 169

Выводы по главе 3 171

ГЛАВА 4 Обоснование технологий и технических средств для использования биопрепаратов при возделывании картофеля 173

4.1 Основные направления применения биопрепаратов и их роль в повышении устойчивости земледелия 173

4.2 Особенности обработки клубней средствами защиты и стимуляции 179

4.3 Оценка влияния внешних воздействий на сохранность жизнеспособности микроорганизмов 183

4.4 Обоснование конструктивно-технологических параметров модуля-приставки к картофелепосадочным машинам 190

4.5 Рекомендации по усовершенствованию технологических процессов опрыскивателей для обработки посадок картофеля биопрепаратами. 195

Выводы по главе 4 198

ГЛАВА 5 Оптимизация параметров и режимов работы просевающих сепараторов 200

5.1 Анализ влияния исходного состояния картофельного вороха на качество

работы просевающих сепараторов. 200

5.2 Современное представление о процессе отделения клубней картофеля от почвы на просевающих сепараторах 208

5.3 Априорный анализ процесса разрушения почвенных частиц на основе теории малоцикловой усталостной прочности 216

5.4 Экспериментальная оценка достоверности теоретических выводов

5.4.1 Методика проведения экспериментов 220

5.4.2 Анализ разрушаемости почвенных комков в зависимости от числа циклов и зоны приложения сил 224

5.4.3 Оценка интенсивности процесса сепарации на начальных участках

5.5 Машинный анализ процесса сепарации картофельного вороха 231

5.6 Обоснование конструктивно-режимных параметров вибрационного сепаратора с отражателем 240

Выводы по главе 5 244

ГЛАВА 6 Разработка конструкции и обоснование параметров сепаратора вторичной доочистки картофельного вороха 247

6.1 Анализ и обоснование способов вторичной доочистки картофельного вороха 247

6.2 Аналитическое описание движения компоненты картофельного вороха по внутренней поверхности вращающейся усечённого конуса 252

6.3 Разработка виртуальной модели фрикционного сепаратора в форме усечённого конуса 2 6.3.1 Определение начальных и граничных условий 256

6.3.2 Анализ чувствительности модели

6.4 Машинные эксперименты по обоснованию рациональных параметров фрикционного сепаратора вторичной доочистки картофельного вороха 271

6.5 Описание конструкции фрикционных сепараторов вторичной доочистки картофельного вороха 276

6.6 Результаты лабораторно-полевых испытаний фрикционного сепаратора клубней картофеля в форме усечённого конуса 281

Выводы по главе 6 284

ГЛАВА 7. Результаты внедрения и технико-экономическая оценка предложенных решений 285

7.1 Особенности и рекомендации возделывания и уборки картофеля по технологии устойчивого земледелия 285

7.3 Результаты производственных испытаний картофелекопателя с копирующим лемехом 293

7.4 Полевые испытания вибрационного сепаратора с отражателем 297

7.5 Оценка экономической эффективности предложенных решений

7.5.1 Усовершенствованного картофелеуборочного комбайна 303

7.5.2 Оценка экономической эффективности внедрения предложенной технологии 307

Общие выводы 310

Список литературы

• Основные тенденции совершенствования технологий и средств механизации возделывания и уборки картофеля
• Методология объектно-ориентированных построений в среде теории информации
• Экспериментальная оценка эффективности работы копирующего лемеха с замедлением
• Оценка влияния внешних воздействий на сохранность жизнеспособности микроорганизмов

Введение к работе

Актуальность темы. Одним из приоритетных направлений развития аграрного сектора экономики в России является переход к устойчивому развитию земледелия, в основе которого заложены принципы минимального негативного воздействия на окружающую среду, сохранения биоразнообразия, максимального использования и рационального распределения агробиологического потенциала природных ресурсов, снижения потерь выращенной продукции. Реализация данных положений диктует необходимость изменения парадигмы оценки эффективности технологий и технических средств сельскохозяйственного производства. Использование традиционно принятого и практически единственного интегрального показателя – как объем полученной продукции, привело к повсеместному использованию в растениеводстве подходов, ориентированных лишь на получение максимального урожая. Концепция устойчивого земледелия рассматривает возделывание сельскохозяйственных культур как сложной агробиологический процесс, в котором наряду с урожайностью должны быть учтены показатели использования и восстановления естественного плодородия почвы, изменения репродуктивных и потребительских свойств полученной продукции при длительном хранении и т.д. Это предопределяет необходимость разработки интегрального индикатора качества, позволяющего оценить разноплановые признаки и их совокупности в единых показателях. При этом данные показатели должны обеспечивать возможность суммарной оценки уровня достижения и итогового баланса целевых параметров признака.

Первоочередной переход на технологии, учитывающие не только агротехнические, но биологические показатели качества необходимо осуществить в картофелеводстве. Значительные начальные финансовые вложения на покупку импортной техники и семян из-за уменьшения числа отечественных разработок и выпуска машин для картофелеводства, повышенная чувствительность к патогенной микрофлоре ввозимых из-за рубежа сортов при недостатке собственных мощностей по производству безвирусного картофеля и как следствие потери при хранении до 50% выращенного урожая и т.д., привели к многократному уменьшению объема производства данной культуры крупными предприятиями. При этом, в связи с негативными изменениями биологических параметров почвенной экосистемы использование даже самых совершенных технологий возделывания не может гарантировать получение стабильных урожаев и сохранность продукции, если заражённость почвы и семенного материала патогенной микрофлорой будут превышать уровень допустимого фона. Негативные последствия влияния данного фактора многократно усиливаются при наличии механических повреждений клубней и содержании в закладываемом на хранение картофельном ворохе почвенных и растительных примесей. В связи с этим выдвинута гипотеза, что для возрождения промышленного производства и обеспечения устойчивого развития картофелеводства в России необходима разработка технологии и технических средств возделывания и уборки картофеля, обеспечивающих неукоснительное выполнение не только агротехнических, но и агробиологических требований качества на всех этапах производственного цикла начиная с формирования

4 симбиотической микрофлоры почвы перед посадкой до завершения срока хранения.

Для решения данной проблемы в первую очередь необходимо повышение эффективности работы картофелеуборочных машин и разработка сепарирующих устройств, обеспечивающих получение клубней с содержанием не более 10 % примесей без их травмирования, в том числе и на тяжёлых суглинистых почвах, а также переход к технологиям, основанным на широком применении биопрепаратов, использование которых на практике ограничено, вследствие негативных внешних воздействий, в частности рабочих процессов сельскохозяйственных машин, на сохранность колониеобразующих единиц (КОЕ) и незначительное влияние данной операции на формирование симбиотической микрофлоры в аг-робиоценозах. Нерешённость данных вопросов является одним из основных факторов сдерживающих развитие промышленного картофелеводства в России.

Степень разработанности темы. Решение задач устойчивого развития
земледелия противоречит всему предшествующему опыту и привычным стерео
типам мышления, рассматривающим природу как неиссякаемый источник ре
сурсов. Вследствие этого при разработке технологий и технических средств ме
ханизации сельского хозяйства преобладает ориентация на «антропогенные»
подходы, наносящие невосполнимый урон окружающей среде. Это диктует
необходимость с учётом многократного роста материальных затрат и “уровня
сложности” при использовании традиционно принятых методологий НИОКР,
обоснования научных подходов, обеспечивающих возможность оценки и вклю
чения в графоаналитические построения новых факторов, таких как состояние
биоты, микробиологический фон в агробиоценозах, сохранность выращенной
продукции и т.д. без кардинального изменения предыдущих модельных построе
ний. Необходимость решения подобных задач в ряде научных направлений,
частности системного и прикладного программирования, проектирования слож
ных систем привело к созданию и развитию объектно-ориентированной методо
логии анализа и синтеза, в том числе и на основе энтропийной оценки уровня до
стижения целевых параметров. Однако в области сельскохозяйственного произ
водства возможности энтропийной оценки качества и объектно-
ориентированной методологии модельных представлений в полной мере не ис
пользовались.

Цель работы. Повышение эффективности возделывания и уборки картофеля путём разработки технологий и технических средств на основе объектно-ориентированного моделирования.

Объект исследования. Технологии и технические средства возделывания и уборки клубней картофеля.

Предмет исследования. Машинные технологии возделывания и уборки картофеля, взаимосвязи влияния технологий возделывания, состояния клубненосного пласта почвы и конструктивно-технологических параметров картофелеуборочных машин с чистотой сходового вороха и потерями продукции при хранении; влияние физико-механических характеристик рабочих процессов сельскохозяйственных машин на динамику численности полезных микроорганизмов (показатель «колониеобразующие единицы» КОЕ); теоретико-методологические

5 аспекты модельных построений и энтропийной оценки качества на основе объектно-ориентированных подходов.

Методика исследований. При решении поставленных задач использовались методологии системного анализа и синтеза, объектно-ориентированных модельных построений, теории вероятности и математической статистики, численные методы решения аналитических зависимостей, классической механики, основные положения теории информации, теории разрушения, механики грунтов, имитационного, виртуального и физического моделирования, теории решения изобретательских задач (ТРИЗ).

При лабораторно-полевых испытаниях машин для уборки клубней картофеля, оценке агробиологического фона были применены стандартные и частные методики, в том числе собственной разработки.

Оценка аналитических зависимостей, кинематический и динамический анализ и обработка экспериментальных данных осуществлялось с использованием программ математического расчета и статистического анализа MathCad, Excel, StatGraph, и CAD/CAE системы автоматизированного проектирования и инженерного анализа FLOWVISION и MSC Adams.

Научная новизна работы:

1. Определены концептуальные направления разработки и совершенствования технологий и технических средств возделывания и уборки картофеля, ориентированные на реализацию положений устойчивого развития земледелия.

2. Обоснована и разработана методика энтропийной оценки выполнения требований качества и стабильности рабочих процессов сельскохозяйственных машин.

3. Определены энтропийные индикаторы стабильности отдельных технологических операций при возделывании и уборке картофеля.

4. Разработана методология объектно-ориентированного моделирования на примере совершенствования конструктивно-технологических параметров картофелеуборочных машин.

5. Разработана объектно-ориентированная модель взаимодействия подкапывающего лемеха с клубненосным пластом с учетом влияния продольного рельефа плотного ложа и траектории движения лезвия на содержание в исходном ворохе переуплотнённых почвенных комков.

6. Составлена вероятностная модель уменьшения до «проходовых» размеров крупных почвенных частиц, рассматривающая не только их разрушающее, но и упрочняющее воздействие циклических нагрузок просевающих сепараторов, а также влияние зон приложения нагрузки к комку на интенсивность процесса разрушения и чистоту сходового вороха.

7. Разработана аналитическая модель движения компоненты картофельного вороха по внутренней поверхности вращающегося усечённого конуса.

8. Предложены методики выбора рациональных параметров приставки к картофелепосадочным машинам для обработки клубней биопрепаратами, копирующего лемеха и фрикционного сепаратора на основе машинных экспериментов с использованием виртуальных моделей, разработанных в CAD/CAE системах автоматизированного проектирования и инженерного анализа;

6
9. Установлена отрицательная реакция на внешние физико-механические

воздействия и снижение жизнеспособности микроорганизмов при возникновении в рабочей жидкости зон кавитации, повышенных температур и предложены конструктивно-технологические решения по снижению их негативного влияния.

Новизна технических решений защищена шестью патентами на изобретение Российской Федерации, тремя авторскими свидетельствами, двумя патентами на полезную модель.

Практическая ценность. Материалы диссертации могут служить основной для разработки критериев качества и стабильности, а также оценки соответствия технологий и конструктивно-технологических параметров сельскохозяйственных машин положениям концепции устойчивого развития земледелия. Предложенная методология объектно-ориентированного моделирования позволит создать библиотеку классов технических устройств и использовать полученные результаты для дальнейших модельных построений, а также обеспечит возможность выявления помехообразующего фактора - аналог технического противоречия в ТРИЗ и применить методы решения изобретательских задач для совершенствования существующих технических средств и поиска новых решений.

На основе полученных автором результатов изданы практические рекомендации:

9. «Рекомендации по совершенствованию рабочих органов машин для уборки картофеля». Рассмотрены и одобрены НТС Минсельхоза России (протокол №9 от 7 июня 2012 г., изданы в 2012 и 2014 годах).

10. «Перспективные направлениям совершенствования способов и конструкций машин для инкрустации семян сельскохозяйственных культур биологическими защитно-стимулирующими препаратами». Рассмотрены и одобрены секцией аграрного образования и сельскохозяйственного консультирования Минсельхоза России (протокол №30 от 24 сентября 2012 г.).

11. «Совершенствование рабочих органов картофелеуборочных машин на основе объектно-ориентированных имитационных моделей». Поддержано Отделением механизации, электрификации и автоматизации РАСХН (25.01. 2012 г.).

Результаты исследований автора включены в книгу “Обеспечение агроэко-логической безопасности в Республике Башкортостан”, предназначенную для использования органами государственной власти, заинтересованными ведомствами и специалистами (Рекомендовано к изданию президиумом РАСХН, Академиями Наук Республики Башкортостан и Республики Татарстан).

Материалы, содержащиеся в диссертации, могут быть полезны для научных сотрудников и инженеров-конструкторов, занимающихся системными исследованиями и модельными построениями, а также разработкой инженерного обеспечения агротехнологий, для руководителей и специалистов АПК, аспирантов и студентов.

Достоверность результатов исследований обеспечивалась использованием при выполнении лабораторных и полевых исследований современных контрольно-измерительных комплексов и программного обеспечения, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований и оценкой соответствия с результатами, опубликованными в независимых источниках, а также

7 прошли широкую апробацию в печати, международных и всероссийских научно-практических конференциях.

Реализация результатов исследований. Результаты проведённых исследований использованы Министерством сельского хозяйства Республики Башкортостан при разработке республиканской системы машин и перспективной программы технического обеспечения АПК республики. Работа “Построение математической модели процесса сепарации картофельного вороха и обоснование рациональных конструкций сепараторов” велась по договору с ГСКБ по машинам для возделывания и уборки картофеля г. Рязань. Результаты исследований приняты для использования при проектировании устройств по отделению клубней картофеля от почвенных комков. Материалы по обоснованию конструктивно-технологических параметров копирующего лемеха с замедлением и фрикционных сепарирующих устройств приняты ЗАО «Колнаг» (г. Коломна) для рассмотрения и включения в конструкцию разрабатываемых картофелеуборочных машин. Технологии возделывания картофеля на основе интенсификации деструкции вторичной фитомассы, выравнивания дневной поверхности и плотного ложа при обработке почвы, применения биопрепаратов и расширенных междурядий внедрены в республике Башкортостан на общей площади 1200 га, с включением опытных образцов разработанных технических устройств: усовершенствованного опрыскивателя, протравливателя клубней картофеля с рециркуляцией аэрозоли, картофелеуборочной машины с копирующим лемехом и вибрационным сепаратором, фрикционных сепараторов картофельного вороха.

Исследования технологий обработки сельскохозяйственных культур биопрепаратами и разработка технических средства для их осуществления поддержаны грантами Фонда содействия развитию малых предприятий в научно-технической сфере (Госконтракты №4822р/7290 и №7744р/11499). Полученные результаты использованы при усовершенствовании конструкции полевого опрыскивателя ОП-24, выпускаемого ОАО “Стерлитамакская машиностроительная компания”.

В научно-исследовательской работе, выполненной под руководством автора, по гранту МСХ России инв. №МСХ-2/2008 № госрегистрации 01200853489 по теме “Разработка методологии комплексной оценки эффективности сельскохозяйственного производства на основе имитационного моделирования с учётом биоклиматических, технологических и социально-экономических условий”, разработана и использована методология объектно-ориентированного системного моделирования на основе энтропийных критериев эффективности.

Материалы исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на научных конференциях Башкирского ГАУ (г. Уфа, 2003-2016 гг.), Московского ГАУ им. В.П. Горячкина (г. Москва, 1998), Ленинградского ГАУ (г. Ленинград, 1985,1986 гг.), Волгоградского ГАУ (Волгоград, 1987) и Куйбышевского СХИ (Кинель, 1987), Оренбургского ГАУ (Оренбург, 2005), Чувашской ГСХА (Чебоксары, 2006), Челябинской ГАА (Челябинск, 2010-1013 гг.), Ульяновской УГСХА (Ульяновск, 2017). Разработка универсального модуля к мотоблоку для возделывания и уборки картофеля, признана победителем конкурса «Десять лучших ин-

8 новационных идей Республики Башкортостан – 2007», удостоена дипломов второй степени на выставках «Агрокомплекс-2009» (г. Уфа, 2009) и «Российским инновациям – российский капитал» (г. Чебоксары, 2008). Технологии и технические средства для применения биопрепаратов удостоены дипломов второй степени и серебряной медали на выставках «Агрокомплекс» (г. Уфа, 2008, 2010, 2011 и 2015 гг.), а также двух золотых медалей Российской агропромышленной выставки «Золотая Осень» (2010, 2012 гг.), серебряной и бронзовых медалей (г. Москва, 2015 г.). Технология обработки семян с иммобилизаций микроорганизмов на носитель с использованием инкрустатора семян БИС-4 включена в «Десять лучших инновационных идей Республики Башкортостан- 2010».

Результаты исследований рассматривались, после предварительной экспертизы, на заседании научно-техническом совете (НТС) Минсельхоза России (протокол №9 от 7 июня 2012 г., Москва), НТС Министерства сельского хозяйства Башкортостана (протокол №2-13 от 15 мая 2013 г., Уфа), на выездном заседании Бюро отделения механизации, электрификации и автоматизации сельского хозяйства РАСХН (ФГБОУ ВО Башкирской ГАУ 6–8 июня 2013 г.).

Публикации. Автор имеет 120 опубликованных работ, по теме диссертации - 65 научных работ, из них 26 работ в изданиях, рекомендованных ВАК, получено 9 патентов на изобретения и 2 на полезную модель. В опубликованных работах автору принадлежат основные научные идеи, теоретические и прикладные разработки, заключения и выводы. Общий объем публикаций составляет 42,3 п.л., из них авторских 31,6 п.л.

Вклад автора в диссертационные исследования. Выполнена структуризация, определены цели и предложены основные направления дальнейшего совершенствования технологий и технических средств для повышения устойчивости картофелеводства в России. Дано стратифицированное представление об использовании системных подходов, обоснована необходимость создания и предложена библиотеки типовых классов объектов – “Сельскохозяйственные машины”. Разработаны методология объектно-ориентированного моделирования и методы энтропийной оценки качества и стабильности технологических операций при возделывании и уборке картофеля. Определена продольная и поперечная плотность почвы в теле гребня и влияние точности копирования плотного ложа на чистоту сходового вороха. Рассмотрен процесс разрушения комков в рамках теории малоцикловой усталостной прочности и особенности просеваемости почвы на начальных участках сепаратора. Разработаны конструкции и обоснованы рациональные параметры копирующего лемеха с замедлением, вибрационного и фрикционных сепараторов картофельного вороха.

Разработаны и апробированы технологии возделывания и уборки картофеля на основе формирования выровненной дневной поверхности и плотного ложа, интенсификации процессов деструкции и гумификации вторичной фитомассы, а также широкого применения биологических препаратов. Установлено угнетающее влияние ряда физико-механических воздействий, возникающих при использовании технических средств для внесения биопрепаратов, на жизнеспособность микроорганизмов и предложены конструктивно-технологические решения по снижению данных негативных факторов.

На защиту выносятся следующие положения:

12. Анализ состояния и выбор приоритетных направлений развития технологий и средств механизации по восстановлению промышленного производства и перехода России к устойчивому развитию картофелеводства.

13. Методология оценки качества выполнения и стабильности технологических операций сельскохозяйственных машин на основе энтропийных критериев оптимизации.

14. Основные положения и методология объектно-ориентированного моделирования процесса работы картофелеуборочного комбайна на основе энтропийных критериев оптимизации.

15. Взаимосвязи влияния физико-механических характеристик картофельных посадок и конструктивно-технологических параметров подкапывающих и сепарирующих рабочих органов картофелеуборочных машин на качество отделения клубней от почвы.

16. Теоретическое обоснование процессов копирования плотного ложа клубненосного пласта подкапывающими и разрушения почвенных частиц сепарирующими рабочими органами картофелеуборочных машин.

17. Теоретическое обоснование движения и сепарирования клубней картофеля и почвенных частиц на криволинейных поверхностях и обоснование выбора конструктивных параметров и кинематических режимов конического и ленточного фрикционных сепараторов.

18. Методики численной реализации, в программных средах математического расчёта, объектно-ориентированных моделей взаимодействия подкапывающих и сепарирующих органов картофелеуборочных машин с клубненосным пластом, разработка виртуальных моделей и обоснования их рациональных параметров в CAD/CAE системах автоматизированного проектирования и инженерного анализа;

19. Рекомендации по дальнейшему совершенствованию технологий и конструктивно-технологических параметров сельскохозяйственных машин, ориентированных на реализацию концепции устойчивого земледелия, на основе учёта агробиологических факторов и широкого применения биологических средств защиты и стимуляции роста сельскохозяйственных культур.

20. Результаты экспериментальной проверки обоснованности предложенных технологий, выбор конструктивно-технологических параметров и соответствия рабочих процессов предложенных технических устройств заявленным требованиям качества и экономической эффективности.

Работа выполнена в ФБГОУ ВО Башкирский ГАУ согласно тематическому плану научно-исследовательских работ, а также в соответствии с программой на 2008-2013 гг. “Разработка современных технологий и технических средств для возделывания сельскохозяйственных культур”, № госрегистрации 01200950301.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, библиографического списка из 326 наименований, приложений на 40 страницах. Основной текст изложен на 313 страницах, включает 114 рисунков и 25 таблиц.

Диссертационная работа выполнена автором самостоятельно. В решении отдельных частных задач по теме диссертации принимали участие профессор

10 Угланов М.Б., д.т.н. Яруллин Р.Б., д.т.н. Мартынов В.М. Автор выражает искреннюю признательность профессорам Еникееву В.Г. и Мударисову С.Г. за неоценимую помощь в подготовке диссертации.

Основные тенденции совершенствования технологий и средств механизации возделывания и уборки картофеля

Белым фоном отмечены мероприятия для успешной реализации которых имеются необходимые агротехнические наработки и задел, по светло-голубым условно можно считать, что начаты определённые работы и осознана необходимость их решения. Фиолетовым - отмечены мероприятия, решение которых на наш взгляд практически остались вне внимания научно-технического сообщества. Безусловно, что для достижения целей по переходу к устойчивому земледелию требуется комплексная реализация данных мероприятий на основе координационных планов [15, 16, 218, 223, 260, 269, 282, 307]. Сложность достижения поставленных целей, наряду с незавершённостью формирования эффективной социально-экономической среды в сфере сельскохозяйственного производства, связана также с преобладанием во многих регионах, в частности в Башкирии, тяжёлых по механическому составу почв и резко-континентального климата. В данных условиях значительная роль должна принадлежать системам земледелия, в максимальной степени учитывающим особенности природных ландшафтов, вопросы водопользования и внедрения влагосберегающих технологий и т.д. [58,59]. Концепция устойчивого земледелия предполагает смещение акцентов в сторону восстановления естественного плодородия почвы, повышение значимости агробиологических факторов, как в рамках общей технологии, так и отдельных операций. Однако в настоящее время разработка технологий и технических средств механизации в основном ориентированы на интенсификацию производства и во главу угла ставиться снижение затрат и выхода максимального объёма продукции с единицы площади.

При этом цели устойчивого земледелия ни в кое мере не противопоставляются целям традиционных технологий и являются их дальнейшим логическим развитием. В частности, способы подготовки почвы Ноу-Тил или Стрип-Тил не только значительно уменьшают энергозатраты, но и успешно применяться для восстановления и сохранения биоты почвы. Необходимо констатировать, что влияние процесса внесения минеральных удобрений и действие средств химической защиты на биоту и микробиологический фон в агробиоценозах начали находить своё отражение в исследовательских работах, однако на наш взгляд недостаточно внимания уделяется вопросам: -формирования симбиотической микрофлоры в резистентной зоне на протяжении всего производственного цикла от стимуляции энергии прорастания, до закладки на хранение, ориентированного не только на получение высоких урожаев и сохранение товарного вида, но и на снижение общих потерь с учетом хранения, пищевых и репродуктивных качеств; - мобилизации корневого и в особенности листового питания; -создание антагонистической биосреды для уничтожения или угнетения сорняков, вредителей и патогенной микрофлоры; -восстановление плодородия почвы за счёт применения способов обработки обеспечивающих активизацию почвенной биоты и интенсификации процессов деструкции и гумификации вторичной фитомассы.

Необходимо отметить, что при исследовании сельскохозяйственных машин совершенно не изучено влияние технологических процессов при выполнении операций на биоту и микробиологический фон в агробиоценозах. Практически не рассмотрены возможности повышения эффективности применения биопрепаратов за счёт снижения негативного влияния на микроорганизмы внешних воздействий иммобилизации их на носитель, что является обязательным приёмом рекультивации почвы при разливах нефти, биоочистке агрессивных сред и т.д. Не достаточно вынимания уделяется вопросам снижения механических повреждений полученного урожая, что на неблагоприятном микробиологическом фоне приводит к потерям значительной части выращенной продукции, например, до 50% клубней картофеля при длительном хранении, заражённости до 20% убранного зерна фу-зариозом и т.д. [93,300]. При выполнении отельных технологических операций на наш взгляд необходимо учитывать изменение не только физико–механических характеристик, но и “живой фазы” объекта обработки. В работах А.Б.Свирщевского, И.Ф.Бородина при классификации сельскохозяйственных производственных процессов, выполняемых техническими средствами приведён перечень режимов: установочный, рабочий, биологический и физико-химический, транспортный и обслуживания. В данной классификации на интуитивном уровне отражена необходимость учёта биохимических факторов и определения информационных параметров, характеризующих их состояние [31,251].

По мнению академика РАСХН В.И. Кирюшина наиболее узким местом в решении задач устойчивого земледелия является обеспечение современной сельскохозяйственной техникой [149]. Из-за недостаточной механизации уборочных работ ежегодно на полях остаётся до 14% выращенного урожая, из которых 11% -теряется из-за несовершенства и применения выработавших свой амортизационный срок техники. В период с 1990 по 2013 годы парк сельскохозяйственной машин в России сократился в 4,4 раза. Нормативная потребность в тракторах удовлетворяется лишь на 75%, тракторных плугах общего назначения – на 63%, грузовых автомобилях – на 58%, сеялках, кормоуборочных комбайнах и пресс-подборщиках – не более чем на 60%, комбайнах для уборки капусты и томатов – на 20%. Фактически на 1000 га пашни по стране приходится 12 тракторов и 6,2 зерноуборочных комбайнов, что ниже показателей США в 3,6 раза, Великобритании – в 5, ФРГ – более чем в 10 раз и соответственно энерговооруженность труда в сельском хозяйстве США – в 3,9 раза, а в Великобритании – в 2,1 раза выше, чем в России [77, 100,140, 178, 179,217,293].

На рисунке 1.2 приведены графики наличия тракторов и основных видов сельскохозяйственной техники по годам в республике Башкортостан. По данным МСХ республики можно сделать вывод, что основной парк машин практически полностью выработал свой ресурс. При этом в общей доле закупок нет явного тренда, свидетельствующего о приоритетном преобладании машин, ориентированных на современные экологически безопасные, устойчивые технологиий земледелия. Принятая правительством РФ «Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы» (далее Программа) раскрывает основную проблему сельского хозяйства в России как «технико-технологическое отставание сельского хозяйства России от развитых стран мира из-за недостаточного уровня доходов сельскохозяйственных товаропроизводителей для осуществления модернизации, а также стагнация машиностроения для сельского хозяйства и пищевой промышленности».

Методология объектно-ориентированных построений в среде теории информации

Концептуальной особенностью объектно-ориентированного описания является представление элементов системы, в виде минимальной и уже далее неделимой в рамках решаемых задач сущности в виде объектов реальной действительности, обладающих состоянием, поведением и индивидуальностью. Каждый объект рассматривается как экземпляр соответствующего класса – совокупности объектов, имеющих общие элементы структурных связей, свойств и одинаковое поведение. При рассмотрении систем на основе объектно-ориентированной методологии необходимо выполнение следующих требований: - в качестве элементов топологии системы используются объекты реальной действительности; - каждый объект является реализацией определённого класса; - классы структурированы, совершенствуются и расширяются.

Предложенный подход имеющей графическую нотацию со строгим определённым и однозначным смыслом, ориентирован, прежде всего, на получение формализованного описания исследуемого объекта, что соответствует задачам системного (имитационного) моделировании. Преимущества данной методологии заключаются в возможности повторного использования и расширяемости ранее описанных элементов. Однако использование объектных представлений и ее применение в исследованиях процессов работы сельскохозяйственных машин ограничивается рядом специфических причин: - многообразием технических объектов и сложностью технологических процессов, выполняемых сельскохозяйственными машинами вследствие их взаимодействия с биологическими объектами, предъявляющих порой в рамках одного устройства несовместимые взаимоисключающие требования, что наряду с необходимостью формирования весьма обширной библиотеки, приведёт к сложности строго определения принадлежности объекта к тому или иному классу; - значительным влиянием случайных внутренних и внешних факторов, формализованное описание которых представляет собой весьма сложную задачу, вследствие чего возникают значительные ошибки выходных показателей, что при представлении объекта как совокупности взаимодействующих объектов приведёт к суммированию ошибок и неадекватном результатам; - неудовлетворительным модельным описанием вида «чёрного ящика» большинства процессов работы технических объектов, базирующихся, как правило, на экспериментальных исследованиях и трудно применимых для априорных исследований; - отсутствием установившихся объектно-ориентированных концепций и желанием большинства “оригинально” преподнести свой “структурированный” вариант системы и тем более ее графическое представление, зависящее во многом от субъективных приоритетов автора. Таким образом, учитывая вышеприведённую специфику, несмотря на значительные перспективы, применение объектно-ориентированных подходов в сельскохозяйственном производстве практически никем не рассматривались. Вместе с тем данное направление открывает значительные перспективы объединения усилий отдельных специалистов при совершенствовании и поиске новых технологических и технических решений и совершенствовании сельскохозяйственных машин и орудий. Нами предлагается сформировать библиотеку классов, представленную на рисунке 2.2, на основе прототипов В.П. Горячкина [79]. В данной классификации, технические устройств для механизации сельскохозяйственного производства структурированы в строгую иерархическую последовательность, в основе которых лежат “мегаклассы” систематизированные по функциональному назначению, например, рассекание, внутри которой представлены суперклассы объектов как ножи, сошники и диски и т.д. При этом каждый объект класса имеет ясный физический смысл (имя), завершённое аналитическое описание (поведение – определяемое атрибутами (параметрами) и методами (функциями) объекта и однозначный критерий оценки достижения цели. Это соответствует сегодняшним представлениям объектно-ориентированной методологии и предопределяет ценность и актуальность работ В.П. Горячкина даже в настоящее время.

Основное преимущество данного подхода состоит в том, что вместо набора функций объекта, формируется обобщённый образ, описанный в общепринятых терминах практики, а также, как уже отмечалось, повторяемость и расширяемость его формализованного представления. Естественно, что приведённые атрибуты должны быть отражены в виде определённых оценочных значений, а методы – зависимостей. При необходимости дальнейшего развития объект может быть изменён посредствам усовершенствования и (или) добавления новых атрибутов и методов. Внесение конструктивных изменений, на основе существующего объекта, меняющих функциональные показатели может быть отражено в новом классе или подклассе Предложенная нами классификация объектов после определённой доработки может быть принята за основу при формировании библиотеки классов [123,126].

Экспериментальная оценка эффективности работы копирующего лемеха с замедлением

Приведённая классификация, использует относительно высокий уровень абстракции и приводится в качестве удачного примера во многих научных работах, однако, по сути, представляет эклектический набор объектов, используемых в термодинамике, теории информации, статистической радиотехнике, кибернетике. Объединение в рамках единой классификации материальное, энергетическое и информационное содержание системы приводит к значительным затруднениям в случаи необходимости объединения предложенных подсистем и элементов в рамках единого аналитического описания и программного представления. Вместе с тем, в приведённой классификации объекты, преобразующие информацию, представляют собой не что иное, как устройства канала связи для передачи сообщений и при принятии энтропийных оценочных критериев и энтропийных методов модельных построений достаточны для описания системы практически любой сложности. Это свидетельствует о целесообразности применения при объектно-ориентированных построениях модулей и блоков устройств для передачи сообщений по каналам связи. Дополнительным показателем обоснованности рекомендуемого подхода служит то, что в объектно-ориентированной методологии взаимодействие между объектами осуществляется посредством сообщений, для передачи которых в теории информации и статистической радиотехнике разработаны значительный набор методов оптимальной передачи и аналитических описаний оценок их характеристик. В этом случае объектно-ориентированная модель может быть представлена в объектах передачи сообщений по каналам связи с “помехами” и оценена с использованием энтропийных критериев оптимизации при более общей постановке вопроса и энтропийных показателей качества в более узкой постановке задач. Возможности использования этропийных критериев качества были рассмотрены в вышеприведённых разделах, более широкая трактовка данного понятия в настоящее время находят широкое применение и служат основой энтропийных методов моделирования в различных областях человеческой деятельности. На основании вышеприведенных сведений нами предлагается абстрагироваться от физического содержания процесса и необходимые графические и аналитические построения, анализ и синтез конструктивных решений вести на уровне элементов устройств каналов связи и передачи по ним сообщений, а переход в реальные категории производить лишь на начальной и заключительной стадиях обработки данных. Неслучайно в настоящее время понятие канал связи рассматривается значительно шире и трактуется как любая естественная или искусственная система, в которой есть начальное состояние (входное сообщение сигнал) X(t) и конечное (выходное сообщение) Y(t), т.е. соответствует классическом представлениям о процессах работы сельскохозяйственных машин [180, 276]. На рисунке 2.5 показана обобщённая схема передачи сообщений, представляющая собой последовательность формирования сообщения, передача его по каналу при наличии помех и приём сообщения.

В предложенной интерпретации характеристики входа X(t) и выхода Y(t) могут быть оценены по значениям энтропии входа H(x) и выхода H(y) после прохождения по каналу связи при воздействии помехи p1,p2….pn. Значения энтропии для непрерывных и дискретных сигналов и большинства видов их распределений, некоторые из которых приведены в таблице 2.1, определяются аналитически. При наличии помех p1,p2….pn энтропия выхода H(Y) отличатся от энтропии входа H(X) т.к. часть данных входа будет потеряно или отражённо на выходе ошибочно. В этом случае используется оценка количество информации I(Х, Y) рассматривается как разность между энтропии Н(Х) на входе и условной Н(X Y) после приёма сигнала на выходе: I(Х, Y) = Н(Х) – Н(X Y). (2.15) Идеальное совпадение входа X(t) и выхода Y(t), например при копировании в рамках допуска, соответствует передаче сообщения при отсутствии помех и энтропия на выходе канала сообщения H(Y) равна энтропии на входе Н(Х), а условная Н(X Y) = 0.

В этом случае мы получим максимальную информацию I(Х, Y), равную начальной энтропии Н(Х). Если значения выхода Y(t) будут отличаться от значений входа X(t), соответственно условная энтропия Н(X Y) приобретёт численное значение, характеризующее “неопределённость сведений” о входе X(t) после прохождения по каналу и получения сигнала на выходе Y(t). В случаи передачи сообщения состоящего из двух исходов, граф состояний и переходов двоичного канала связи при наличии помех приведён на рисунке 2.6.

Например, передавались x1 и x2 –вход, y1 и y2 –выходы канала связи, возможны следующие варианты. Передавалось сообщение x1 и был принято сообщение y1, т.е. при искажения не произошло. Передавалось первое сообщение (x1) и он был принят как (y2), т.е. произошло преобразование по заданному в определённом устройстве алгоритму или искажение сообщения (x1). Искажения были вызваны влиянием внешних и внутренних факторов, рассматриваемых как помехи рx, и представляющих собой вероятностную величину возникновения ошибки. В предложенной интерпретации, на основе входных данных реального процесса, рассматриваемых как сообщение, в кодере производится их преобразование в сигналы.

В дальнейшем данный сигнал подвергается различным “преобразованиям” и воздействиям помех. Сравнение вычислительного алгоритма имитационной модели и структурной схемы канала связи для передачи сообщений, приведено на рисунке 2.7. В основе описания входных элементов большинства имитационных моделей лежит генератор случайных чисел, однако последовательностью независимых случайных чисел можно описать довольно узкий класс реальных процессов.

Например, методами математической статистики затруднено описание «гладких» коррелированных процессов как медленно изменяющихся параметров траекторий движения почвообрабатывающих орудий и т.д. По этой причине необходимо введение дополнительного модуля “формирование входного процесса”. В теории информации устройства для передачи сообщений входной элемент рассматривается как “источник сообщений”. Под источником сообщений понимается объект, который в каждую единицу времени выбирает один элемент xi из множества X. При этом недостаточно считать заданным вероятность характеристики одного элемента xi с точки зрения теории информации источник считается заданным, если имеется некоторая вероятностная схема (алгоритм), позволяющая вычислить вероятность любого отрезка сообщений, т.е. для любых (xi+1… xi+n) определена вероятность p (xi+1… xi+n) этой последовательности. Источники сообщений, имеющие различную физическую природу, заданные одним и тем же набором вероятностей, с позиции теории информации отождествляются. Использование элемента как источник сообщений (сигнала), вместо общепринятого генератора случайных чисел, более целесообразно, так как появляется возможность без дополнительных преобразований получить входные данные не только с определёнными вероятностными, но и частотными характеристиками.

Оценка влияния внешних воздействий на сохранность жизнеспособности микроорганизмов

Для оценки достоверности априорных выводов и обоснованности выбора конструктивных параметров, в частности необходимости установки второго колебательного контура и выборе параметров пружин, нами были созданы виртуальные модели копирующего лемеха в среде MSC. ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) компании Software.

Использование данной среды виртуального моделирования основывался на следующих положениях: - необходимые для проведения машинных экспериментов параметризован ные модели технического устройства в максимальной степени приближены к ре альному объекту и могут проводиться на 3D образах, созданных не только с ис пользованием встроенных модулей, но и в других средах твердотельного кон струирования, например, “Компас”, Soledworks и т.п.; - внутрипрограммное определение характеристик деталей конструкции как масса, моменты инерции, усилий на трение и т.д., на основе заданных размеров и справочных данных используемого материала как плотность, модуль Пуассона, Юнга и т.п. - возможностью комплексной оценки скоростей, ускорений и перемещений, нагрузок, кинематической и динамической согласованности, пределов прочности и устойчивости, габаритов пространства рабочей области и т.п. исследуемой технической системы; - наличием встроенных вычислительных процедур основанных на решении систем дифференциальных уравнений Эйлера-Лагранжа, обеспечивающих орга 157 низацию вычислительного эксперимента и параметрической оптимизации виртуальной модели; - управлением в интерактивном и автоматическом режимах процессами симулирования и визуализации в постпроцессоре с сохранением результатов в наиболее популярных форматах.

На рисунке 3.14 приведена последовательность действий при разработке виртуальной модели и выполнении машинного анализа процесса копирования изолинии критической твёрдости лемехом. При выполнении машинного анализа использовался интерактивный графический модуль ADAMS/View - позволяющий создавать 3D модели и ADAMS/PostProcessor – модуль постпроцессинга, обеспечивающий анализ и представление, в том числе анимационное, полученных результатов. GSTIFF - решатель на базе интегратора DIFSUB, разработанного Ги-ром (C.W. Gear) - эффективно работает с жёсткими системами дифференциальных уравнений, принят в MSC.ADAMS "по умолчанию". ADAMS/Postprocessor -постпроцессор, обеспечивающий анимацию полученных результатов, построение графиков, вывод результатов в виде анимационного файла в формате .avi и др. При корректном выборе параметров и связей между элементами, показателей кинематического и динамического воздействия между ними на виртуальной модели, можно получить результаты, практически полностью идентичные результатам натурных испытаний системы.

Параметризированные модели исследуемых лемехов графическом модуле ADAMS/View представляют собой многокомпонентные механические системы, состоящие из твёрдых тел в виде деталей с соответствующими размерами при определённых начальных и граничных условиях, обоснованных в разделе 3.4.1, а также в работах, выполненных автором совместно с Ф. Н. Галлямовым. На тела наложены связи, определяющие возможные относительные движения этих тел относительно друг друга, что может быть осуществлено как посредством кинематических пар, так и упругих тел, как в нашем случае цилиндрическими и поступательными шарнирами, а также пружинами сжатия. Ф

Сканирование пространства характеристик; Определение значимых параметров; Интерактивная оптимизация параметров конструкции и процесса копирования. Расчётная схема модели усовершенствованного копирующего лемеха с отображением конструктивно-технологических параметров, учитываемых при виртуальном моделировании, представлена на рисунке 3.15. Инерционные характеристики звеньев определялись в процессе расчётов исходя из геометрических размеров и заданных плотностей деталей лемеха и почвы. Средняя жёсткость пружин выбиралась на основе вышеприведённых расчётов: для горизонтальной 159

cг=25 Н/мм, для вертикальной cв - 40 H/мм, коэффициент демпфирования для обеих пружин = 5 Н сек/мм. Движение подвижных деталей оценивалось по перемещению локальных координат крайних геометрических точек, центров масс, узлов соединений и контакта тел относительно глобальной координатной системы. Характеристики материалов конструкции выбирались из встроенного справочника, за исключением значения параметров почвы. Исходя из того что плотность почвы при критических значениях твёрдости равна 1600-1800 кг/м3, среднее значение модуля Юнга было выбрано 15 МН/ м2, а среднее значение коэффициента Пуассона - 0,35 [245,246].