Development issues of innovative system of machines and technologies for plant cultivation

Abstract

Current state and development prospects of agricultural machinery and technologies as well as fundamental principles for substantiation, formation and development of innovative system of machines and technologies are considered.

Full Text

УДК 658.711.2 ТСМ № 10-2014 Проблемы создания инновационной системы технологий и машин для растениеводства Д-р техн. наук В.П. Елизаров, канд.с.-х. наук В.М. Бейлис (ВИМ, тел. 8 (499) 174-88-00) Аннотация. Рассмотрены состояние и перспективы развития с.-х. техники и технологий, а также основополагающие принципы обоснования, построения и разработки инновационной системы технологий и машин. Ключевые слова: инновационная система, технология, система машин, потери продукции, типаж. В последние десятилетия в связи с коренными преобразованиями в обществе, изменением производственных отношений, экономики страны в целом и сельского хозяйства в частности появилась потребность в разработке новой концепции формирования системы машин, определяющей задачи, проблемы и место этой системы в общем процессе повышения эффективности производства в одной из важнейших отраслей народного хозяйства. Большое значение приобрела проблема установления фундаментальных закономерностей развития технического обеспечения сельского хозяйства, так как только новые знания, идеи и научные положения могут обеспечить определение наиболее эффективной стратегии развития механизации сельского хозяйства на длительный период. Возникла необходимость в анализе путей развития системы машин за прошедшие годы, ее современного состояния, методов ее обоснования и разработки, имеющихся недостатков. В XX веке в сельском хозяйстве страны произошла техническая революция, которая привела к тому, что основная масса с.-х. культур стала выращиваться на основе повсеместного применения машинных технологий. Для этого потребовались фундаментальные и глубокие прикладные исследования технологических процессов и основ конструирования сельхозтехники. Одной из главных задач, связанных с ускорением темпов обновления и развития инженерной системы растениеводства, должна быть кардинальная перестройка научных методов разработки системы технологий и машин - важнейшего инструмента формирования и реализации стратегии и тактики технической политики в отрасли, - а также привлечение к ее развитию отечественных и зарубежных инвесторов на конкурентной основе [1]. Система технологий и машин должна зиждиться на технической базе, отвечающей мировому уровню и обеспечивающей наиболее эффективное применение достижений научно-технического прогресса в области технологизации, механизации и автоматизации с.-х. производства [2]. Инновационная система технологий и машин (ИСТМ) - совокупность дополняющих друг друга машин, которые выполняют технологические операции в заданные сроки, обеспечивают качественный рост эффективности процессов или продукции и востребованы рынком. Разработка ИСТМ предполагает решение двух одинаково важных задач. Первая - тактическая задача развития технической базы сельского хозяйства путем обеспечения с.-х. товаропроизводителей необходимыми высокоэффективными технологиями и техникой, а также защита их интересов. Вторая - решение стратегических проблем развития агроинженерной сферы с.-х. производства наиболее эффективными методами. Для этого остро необходима разработка концепции, которая содержала бы всеобъемлющие фундаментальные данные по созданию технологий и техники нового поколения, обеспечивающих перевод сельского хозяйства России на качественно более высокий уровень путем целенаправленного, основанного на системных принципах развития научно-технического прогресса в отрасли. Системы федерального уровня должны взаимодействовать и дополнять друг друга на основе создания и ведения единого банка данных. По сути обоснование, построение и разработка ИСТМ - это прогноз оснащения сельского хозяйства современными технологиями и техникой нового поколения. В основу этого прогноза следует положить новые научные принципы и методы, которые предстоит разработать в ближайшие годы. ИСТМ по всем показателям должна соответствовать мировому уровню и отвечать целому ряду требований, позволяющих обеспечить наиболее эффективное использование имеющихся ограниченных ресурсов в новых экономических условиях ведения сельского хозяйства, преодолеть межрегиональные барьеры, привлечь технический потенциал мирового сообщества и стран СНГ. В частности, в системе следует интегрировать, в оптимальном сочетании с отечественными, результаты лучших зарубежных разработок в области с.-х. технологий и техники, потенциально применимые в России. Для государства проект разработки ИСТМ должен служить основополагающим документом, отражающим основы научно-технической политики в области с.-х. производства, с помощью которой обеспечивается согласованная и направленная в единое русло деятельность различных ведомств и организаций по оснащению сельского хозяйства необходимыми машинами и оборудованием для высокоэффективного производства, а также по разработке технологий и техники, которые обеспечили бы отечественной продукции выход на мировой рынок. С учетом ИСТМ следует строить инвестиционную политику отрасли, планировать НИОКР, создавать новые технологии и с.-х. технику, определять объемы финансирования научно-исследовательских и конструкторских организаций, формировать государственные и отраслевые программы [3]. Производители с.-х. продукции должны получить свободный доступ ко всей нужной информации по технике, рекомендованной научными организациями в виде системы машин, а машиностроительные предприятия - возможность выбирать оптимальные решения, гарантирующие сбыт и прибыль. Полное оснащение хозяйств современной техникой позволит увеличить объем с.-х. продукции в 1,5-2 раза. Большие потери и недобор зерна, картофеля, овощей в стране (см. таблицу) обусловлены отсутствием у товаропроизводителей нужных машин. Например, вместо потенциальной урожайности 30 ц/га получаем 22,4 ц/га зерна яровой пшеницы и т.д. Недобор и потери урожайности с.-х. культур при нарушении агросроков в среднем по РФ, % Культура Операция 1-й день 2-й день 3-й день 4-й день 5-й день 6-й день 7-й день 8-й день 9-й день 10-й день Озимая пшеница Посев 0,2-28,2 1,2-30,1 1,6-32 2-34 2,4-36,7 4,4-38,6 5,1-40,5 5,9-42,9 6,6-44,6 7,3-47,6 Озимая пшеница Уборка (прямое комбайнирование) 0,6-7,5 1,2-11,3 2,5-15,1 3,8-18,1 5-19,6 6,3-20,8 7,6-21,9 6-23,4 6,5-24,2 7-26 Яровая пшеница Посев 0,9-38 1,7-41,5 3,1-44 4-48,8 Яровая пшеница (Сибирь) Прямое комбайнирование 9,8-12 10,7-16 11,8-20 12,8-25 13,3-29 13,8-34,3 14,4-39,1 15-45,4 Ячмень Посев 1-26 2-29 7-32,3 8-35 10,7-38,1 11,2-41,4 11,3-44,1 11,3-47,1 11,4-50,2 11,5-55,2 Ячмень (Сибирь) Скашивание 5,6-8,8 5,7-10,1 5,8-10,6 6,7-11,1 11,2-12,3 Подбор 10 11 12 12,1 12,3 Ячмень (Сибирь) Скашивание 18 19 19,5 20 Обмолот 19 20,5 22,5 24,5 Горох Уборка 5,5-6,4 8,5-12,4 16,5-18,5 24-24,2 30,8-32,4 Лен Посев 6,2 7,5 8,5 9,2 Уборка 12,5 15 20 25 30 Картофель Посадка 0,4-10 0,8-14,2 1,1-19 1,5-10,5 2-21,5 Уборка 0,5-17 0,8-19 1,2-21 1,5-23 Зерновые культуры Вспашка зяби 1,2-24 2,3-25 4,2-25,2 Закрытие влаги 9,3-16,4 9,5-18,1 9,7-19 10,1-20,3 Задача фундаментальных исследований состоит в разработке научных методов обоснования, системного проектирования и расчета показателей ИСТМ, в т.ч. методов, алгоритмов и программного обеспечения для оптимального построения ИСТМ, системного обоснования, проектирования и вариантных расчетов показателей при различных сценариях обеспечения технической базы. Основу ИСТМ должны составить типажи и типоразмерные ряды техники, а не марки машин, как было ранее. Поэтому необходима разработка современных методов обоснования перспективных типажей и типоразмерных рядов техники, а также решение задач типизации, формализации и преобразования в удобный для расчетов вид исходной информации по агроландшафтам, производственным и другим условиям, от которых зависят требования к формированию технологической и технической базы растениеводства РФ, отвечающей мировому уровню. При создании техники в новой системе должны найти отражение в первую очередь следующие концепции, позволяющие сократить затраты на производство с.-х. продукции: - разработка семейств технических средств на основе универсальных энергетических и других базовых моделей, обеспечивающих функционирование гибких производственных систем; - агрегатная унификация по всем основным видам технических средств с обоснованием и реализацией типоразмерных рядов для узлов и агрегатов; - создание трансформируемой техники на базе универсальных рам со сменными рабочими органами и дополнительным оборудованием; - максимальная унификация технических средств одного типа и назначения за счет модификации базового образца; - техническое обеспечение многофазовых технологий работ, сочетающих выполнение операций с применением мобильных и стационарных машин; - реализация принципиально новых технологических процессов воздействия на объект обработки с использованием ранее не применявшихся физических и кибернетических принципов, химических и биологических воздействий, материалов; - создание технических систем с упорядоченным перемещением мобильных рабочих агрегатов, в т.ч. в полуавтоматическом контролируемом режиме; - разработка конгломератов технических средств для законченных промышленных технологий производства пищевых продуктов и сырья для легкой промышленности в с.-х. организациях, межхозяйственных объединениях и комбинатах, а также подобных им мини-систем для крестьянских хозяйств; - автоматизация и роботизация выполнения законченных циклов работ с использованием машин-автоматов и роботов. Прикладная сторона исследований по созданию ИСТМ заключается прежде всего в разработке на научной основе интегрированных исходных требований по видам техники, которые должны стать ее неотъемлемой частью. Кроме того, подлежит всестороннему изучению широкий круг вопросов, связанных с практическим применением ИСТМ, адаптацией и доведением ее непосредственно до конкретных с.-х. товаропроизводителей. В т.ч. предстоит изучить: региональные системы машин; системы ведения сельского хозяйства по регионам и областям; типовые технологические карты по всем видам с.-х. культур; операционные технологии с.-х. работ; правила производства механизированных работ; нормативы потребности, сезонной нагрузки и др. Анализ тенденций и приоритетных направлений развития по основным видам технологий растениеводства позволяет сформулировать некоторые общие закономерности развития системы технологий, которые следует учитывать при проведении дальнейших исследований: - технологии становятся более дифференцированными, высоко адаптированными к реально встречающимся на практике агроландшафтам и производственным условиям; - наряду с самыми эффективными, с.-х. товаропроизводителям предлагаются технологии любых уровней интенсификации, вплоть до простейших, что позволяет выбирать технологии, отвечающие экономическому и техническому потенциалу хозяйств; - индустриализация требует все более высокого уровня механизации, а в перспективе - автоматизации работ; - все большее значение получает направленность технологий на получение высококачественной продукции при безусловном соблюдении экологических требований; - повышаются требования к подготовке посевного и посадочного материала, качеству вносимых и наносимых материалов. Все это свидетельствует о необходимости разработки основ проектирования технико-технологических систем производства продукции растениеводства и решения целого комплекса научных задач в условиях интенсификации растениеводства. Учитывая неустановившийся характер и незавершенность процесса становления новых форм собственности и организации труда в сельском хозяйстве, для оптимизации перспективных технико-технологических систем и комплексов необходимо разработать методы проведения исследований, базирующиеся на развернутой информации о типоразмерных рядах с.-х. предприятий. Эти ряды стоятся по совокупности критериев, отражающих в обобщенном виде региональные особенности производства и реальное многообразие хозяйств различных размеров и специализаций с разными уровнями технической оснащенности, доходов и т.д. Для с.-х. предприятий нового типа, ориентированных на работу в условиях рыночной экономики, потребуется определить в зависимости от их размеров и природно-климатических условий оптимальные товарные специализации. Эту задачу вполне правомерно рассматривать как самостоятельную для зональных институтов агроэкономического профиля, однако ввиду явного отставания в проведении таких работ целесообразно дать хотя бы концептуальное решение в рамках проекта ИСТМ. Для этого потребуется исследовать, применительно к оптимизируемому типоразмерному ряду с.-х. предприятий, агротехнически допустимые в различных агрозонах страны варианты специализаций и выявить наиболее рациональные путем сопоставления совокупности их показателей. Для каждого варианта специализации нужно будет выполнить многокритериальный расчет оптимальной совокупности технологий и состава машинно-тракторного парка (МТП) с.-х. предприятий различных типоразмеров. Разработка методики и программного обеспечения для проведения подобных расчетов с учетом современных особенностей и требований производства представляет собой крупную научную проблему. С целью разработки и оценки технико-технологических систем по комплексу ресурсных и ряду других критериальных показателей на стадии оптимизации совокупности технологий и состава МТП потребуется разработка алгоритмов и математических моделей их оптимизации, адекватно отражающих всю необходимую для решения задачи разнообразную по составу и обширную по объему агротехническую, агротехнологическую, природно-производственную, техническую, экономическую и иную исходную информацию. На результатах этих исследований будет базироваться обоснование перспективных типажей модельных объектов-представителей как по России в целом, так и по регионам, упорядочивающих и облегчающих решение совокупности задач по обоснованию и проектированию агроинженерной системы растениеводства. В числе таких задач многовариантные расчеты потребности в технике и других материально-технических ресурсах, определение показателей производства при различных сценариях его развития и многое другое. Разработка базовых интегрированных технико-технологических систем - действенный метод повышения рентабельности производства основных видов продукции растениеводства. Создание рынка технологий и технических средств, оснащение с.-х. товаропроизводителей интенсивными приемами производства растениеводческой продукции, обеспечивающими ее конкурентоспособность на мировом рынке, во многом будут зависеть от применения технико-технологических систем производства на основе ИСТМ для выполнения отдельных циклов работ, интегрированных в единые законченные технологии производства конкретных видов продуктов (с.-х. сырья и кормов) непосредственно с.-х. товаропроизводителями или на основе их кооперации. В результате устранения посредников, сокращения числа технологических и особенно вспомогательных операций, технологически обоснованного снижения требований к ним и использования ряда других резервов можно создать условия для значительного повышения рентабельности хозяйственной деятельности, прямого выхода на продовольственные рынки, обретения независимости от предприятий перерабатывающей промышленности и их монопольного ценообразования. Это решит многие проблемы, связанные с платежеспособностью хозяйств, гарантийным обеспечением кредитования и т.д. Прогрессивные технологии и техника должны обеспечивать наиболее эффективное использование с.-х. угодий, способствовать улучшению структуры посевных площадей за счет выполнения в сжатые сроки больших объемов разнообразных энергоемких работ при участии минимума людей, имеющих высокую квалификацию. В основу построения ИСТМ должны быть положены оптимальные типажи и типоразмерные ряды новой техники, основанные на новейших достижениях науки, нетрадиционных методах использования различных видов энергии и воздействия на обрабатываемые с.-х. объекты. Проект ИСТМ должен объединить научно обоснованные системные данные, раскрывающие общую картину, состояние и перспективы развития технологий и техники с целью принятия потенциальными инвесторами оптимальных решений в области новых разработок и их продвижения на рынок. Сочетание инновационного развития и модернизации технической базы агропромышленного комплекса позволит вывести с.-х. производство на новый высокоэффективный уровень и обеспечить отечественной технике и технологиям конкурентоспособность на мировом рынке. В заключение необходимо отметить следующее. В настоящее время технические средства производятся практически во всех республиках, областях и краях России, а их номенклатура и параметры укладываются в достигнутые показатели, предусмотренные системами машин. Отбор техники регулируется рыночными отношениями. Только конкуренция на рынке сельхозмашин может выявить эффективные средства механизации для каждого региона или агрозоны РФ. Новые технические методы, материалы и другие новации, включая автоматизацию и роботизацию технологических процессов при создании с.-х. техники, помогут России успешно конкурировать с западными странами на мировом рынке. Кроме того, товаропроизводители получат возможность покупать конкурентоспособные отечественные машины, адаптированные к разным почвенно-климатическим условиям, а инновационная система технологий и машин поможет им ориентироваться в сложном мире рыночных отношений.