Бестракторное земледелие – межотраслевая сквозная технология сельского хозяйства

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Исследования проводили с целью выявления преимуществ «бестракторного земледелия» как межотраслевой сквозной технологии на примере промышленного садоводства и питомниководства. Парадигма «бестракторного земледелия» декларирует отказ от применения классических тракторов тяговой и тягово-энергетической концепции и определяет переход к мобильным энергетическим модулям-трансформерам энергетической концепции. Принципы энергетической концепции определяют максимально возможное использование мощности двигателя для полезного перемещения и выполнения рабочих процессов, что обеспечивает высокую эффективность «бестракторного земледелия». Использование вместо тракторов наборов мобильных энергетических модулей-трансформеров электроприводного типа в комплекте с технологическими модулями обеспечивает максимальное технико-технологического оснащение отраслей сельского хозяйства для любых условий и различных технологических операций, что особенно востребовано в отрасли промышленного садоводства и питомниководства. Межотраслевой характер нового технологического направления позволяет эффективно использовать изделия «бестракторного земледелия» и в других отраслях сельского хозяйства (овощеводство, селекция и семеноводство), а также в коммунальной и городской логистике. Примером практической реализации отдельных элементов «бестракторного земледелия» в промышленном садоводстве может служить действующий макет-демонстратор садового е-Дрона с пилотным названием «Русский челнок», созданный в Инжиниринговом центре ИнТех ФГБОУ ВО Мичуринского государственного аграрного университета. Это изделие с грузоподъемностью до 1000 кг и рабочей скоростью от 0 до 30 км/ч предназначено для сбора и транспортировки плодов. Отличительная особенность садового е-Дрона «Русский челнок» – использование 2 лектроприводных мостов массового производства мощностью 1,2 кВт, что значительно снижает его стоимость (в 10 раз) по сравнению с существующими зарубежными самоходными садовыми платформами.

Полный текст

На сегодняшний день одно из стратегических направлений развития экономики – обеспечение технологического суверенитета на основе освоения и реализации так называемых критических и сквозных технологий в различных сферах материального производства, включая сельское хозяйство (https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_447895).

Сквозные технологии – это перспективные технологии межотраслевого назначения, обеспечивающие создание инновационных продуктов и сервисов и оказывающие существенное влияние на развитие экономики, радикально меняя существующие рынки и (или) способствуя формированию новых рынков. Они определяют перспективный облик экономики и отдельных отраслей в течение ближайших 10…15 лет.

Необходимость освоения сквозных технологий и реализация на их основе проектов технологического суверенитета закреплены в проекте Федерального закона «О технологической политике в Российской Федерации». Кроме того, согласно этому документу, основные цели и задачи технологической политики заключаются в «обеспечении технологического суверенитета Российской Федерации и конкурентоспособности отечественной высокотехнологичной продукции и эффективности ее производства за счет технологических инноваций на основе разработки и внедрения критических и сквозных технологий, путем формирования собственных линий разработки».

Перечень сквозных технологий опирается на научно-технологический прогноз (форсайт) и формируется на основе прозрачных процедур, устанавливаемых законодательством Российской Федерации. В отборе технологий должны участвовать ФГБУ «Российская академия наук», научное и образовательное сообщества, объединения предпринимателей.

В представленной работе к обсуждению предлагается новое технологическое направление, обозначенное как «Межотраслевая сквозная технология «Бестракторное земледелие». К его предметной области относятся отрасли сельского хозяйства, требующие выполнение широкого спектра разнообразных технологических операций с незначительными энергозатратами [1]. В сельском хозяйстве к их числу относятся садоводство, питомниководство (садовое, лесное, ландшафтное), овощеводство, семеноводство и селекция.

Межотраслевой характер нового технологического направления позволяет эффективно использовать изделия «бестракторного земледелия» и в других отраслях экономики, например, в коммунальной и городской логистике. Широта, разнообразие и перспективность «бестракторного земледелия» на полном основании позволяет отнести это направление к категории межотраслевой сквозной технологии, а работы по ее созданию и освоению признать актуальными и весьма востребованными.

Цель исследования – выявление преимуществ «бестракторного земледелия» как межотраслевой сквозной технологии на примере промышленного садоводства и питомниководства.

Методика. В основе парадигмы «бестракторного земледелия» лежат прогнозы Станислава Лема, высказанные им в философско-технологических трактатах «Сумма технологий» и «Непобедимый», в которых подробно раскрыта идея возможности создания сложного технического объекта любого предназначения путем разнообразного соединения роботизированных микромодулей. По его мнению, что-то «технически большое» образуется как синергетическая сумма миниатюрных автономных компонентов, имеющих генетически заложенное в них стремление к объединению. В «бестракторном земледелии» что-то «технически большое» – это агрегаты для выполнения определенной технологической операции, а миниатюрные автономные компоненты – это автономные энергетические и технологические модули, пригодные для самостоятельной работы.

Классическое тракторное земледелие, основанное на тяговой концепции (то есть использовании трактора как тягового энергетического средства), достигло предела в своем развитии, так как дальнейшее повышение эффективности и производительности ограничивается тягово-сцепными свойствами трактора (трактор – англ. tractor от лат. trahere – тащить, тянуть), который может превращать в действительное тяговое усилие только 20…30 % своей энергии. Противоречия между требованиями агротехники и развитием функциональных свойств трактора на основе тяговой концепции достигли своего критического состояния и создают объективные трудности для дальнейшего совершенствования.

При формировании новой технологической парадигмы авторы опирались на ряд научных и методологических принципов, определяющих современное развитие сельскохозяйственной техники, а именно:

принципы гравитационного и реактивного земледелия [2], которые предлагают использовать движители сельскохозяйственных машин как рабочие органы;

принципы тягово-энергетической и энергетической концепции тракторного земледелия [3], позволяющие повысить тягово-сцепные свойства и мобильность сельскохозяйственных машин;

принципы мостового земледелия и портальных систем в растениеводстве [4], позволяющие формировать конфигурацию высококлиренсных мобильных энергетических средств в плодоводстве и овощеводстве;

принципы блочно-модульного формирования техники [5], обеспечивающие эффективное построение разнообразных вариантов и компоновок сельскохозяйственных машин на базе унифицированных узлов и агрегатов;

принципы использования электроприводных мехатронных систем [6], позволяющие обеспечить эффективное управление работой сельскохозяйственных машин и их адаптацию к самым различным условиям эксплуатации;

принципы беспилотного транспорта [6], позволяющие обеспечить самостоятельную работу сельскохозяйственных машин в автономном режиме;

принципы групповой робототехники [7], на основе которых можно организовать работу автономных машин-роботов по единой технологической схеме;

принципы кастомизации и персонализации (клиентоориентированности), формирующие бизнес-модели сельхозмашиностроения в условиях цифровой трансформации экономики, определяющие оперативную адаптацию и создание необходимой техники для разнообразных условий и требований потребителя [8].

Использование перечисленных научных и методологических принципов позволило авторам создать новое технологическое направление – межотраслевую сквозную технологию «бестракторное земледелие» и претворить идеи Станислава Лема в реальность.

Результаты и обсуждение. Наибольший эффект от применения нового технологического направления «бестракторное земледелие» может быть достигнут в отраслях промышленного садоводства и питомниководства.

Отличительная особенность отрасли отечественного промышленного садоводства и питомниководства – наличие разнообразных природно-климатических условий и, соответственно, различных технологических и производственных схем, определяющих значительные трудозатраты при выполнении технологических операций [9]. Причем практически во всех производственных циклах и технологических операциях преобладает ручной труд (рис. 1). Это указывает на острую необходимость создания и обеспечения парка машин и орудий для всего диапазона условий и технологий промышленного садоводства и питомниководства.

 

Рис 1. Удельная трудоемкость технологических операций в промышленном садоводстве:        – механизированный труд;        – ручной труд

 

Ассортимент и разнообразие машин и орудий для отрасли закреплены нормативными документами. Так, отечественной Системой машин на 1986–1995 гг. только для садов экстенсивного и нормального типа было предусмотрено 15 машинно-технологических комплексов, содержащих 70 наименований машин, выполняющих более 160 технологических операций. Система машин для плодоводства Республики Беларусь, утвержденная в 2014 г., предусматривает 11 машинно-технологических комплексов, содержащих 137 наименований машин и орудий.

Для агрегатирования всего разнообразия машин и орудий используются как тракторы общего сельскохозяйственного назначения, так и специализированные садовые и питомниководческие тракторы, снабженные передним и задним (а иногда и боковым) навесными устройствами, а также валом отбора мощности. Садовые и питомниководческие тракторы должны обладать реверсивностью управления (для работы с погрузчиками), герметичностью кабины (для работы с опрыскивателями), малыми габаритами по ширине и высокой изодиаметрией (для работы в узких междурядьях), высоким клиренсом (для работы в питомниках и маточниках).

Специфические особенности отрасли промышленного садоводства и питомниководства приводят к чрезмерному увеличению парка тракторов, машин и орудий, что предопределяет необходимость пересмотра подходов к энергетическому обеспечению механизированного выполнения технологических процессов и операций.

Одно из направлений повышения эффективности применения тракторов – увеличение их тягово-сцепных свойств. Для классических тракторов тяговой концепции такая задача решается путем использования следующих мер:

дополнительное увеличение сцепного веса – балластирование (рис. 2а);

 

Рис. 2. Способы повышения эффективности тракторов тяговой и тягово-энергетической концепции

 

дополнительная линейная компоновка колесных движителей (рис. 2б);

дополнительная фронтальная компоновка колесных движителей (рис. 2в);

применение гусеничных движителей (рис. 2г).

Для тракторов тягово-энергетической концепции увеличение тягово-сцепных свойств обеспечивается следующим образом:

использование активных рабочих органов агрегатируемого орудия (рис. 2д);

использование дополнительного привода от ВОМ трактора на опорные колеса агрегатируемого орудия (рис. 2е);

использование дополнительного транспортно-технологического модуля с приводом от ВОМ трактора (рис. 2ж).

Наиболее перспективное направление – развитие тракторов на принципах энергетической концепции [2, 3], на основании которой движители трансформируются в рабочие органы, а классические тракторы – в мобильные энергетические средства-модули (МЭС). При реализации энергетической концепции, в отличие от тяговой и тягово-энергетической, практически вся мощность двигателя расходуется на полезное перемещение и выполнение рабочих операций: коэффициент использования двигателей повышается в 2…5 раз, а энергонасыщенность – в 2…3 раза (рис. 3).

 

Рис. 3. Показатели эффективности тяговой, тягово-энергетической и энергетической концепций:        – коэффициент использования двигателя;        – энергонасыщенность

 

Энергетическая концепция подразумевает максимально возможное использование мощности двигателя для полезного перемещения и выполнения рабочих процессов, что позволяет формировать мобильные энергетические модули в комплекте с технологическими модулями любой конфигурации для работы в самых разнообразных условиях и выполнения любой технологической операции. Исходный концептуальный принцип «бестракторного земледелия» заключается в отказе от применения трактора как единственно возможного мобильного энергетического средства и переходе к наборам энергетических модулей-трансформеров электроприводного типа в комплекте с технологическими модулями, конфигурация и технический облик которых определяется условиями и видами технологических операций [1]. Отличительная особенность нового технологического направления – возможность использования хорошо зарекомендовавших себя на практике серийных компонентов массового производства (рис. 4) при формировании энергетических модулей-трансформеров, что обеспечивает их кастомизацию и бюджетирование [1, 10, 11].

 

Рис. 4. Базовая комплектация энергетических модулей электроприводного типа изделий «бестракторного земледелия»: 1 – портальный мост; 2 – понижающий редуктор; 3 – низковольтный бесколлекторный электродвигатель с системой управления; 4 – комплект аккумуляторных батарей; 5 – ДВС-генератор

 

Для промышленного садоводства и питомниководства базовые конфигурации изделий «бестракторного земледелия» включают энергетические модули-трансформеры электроприводного типа еМТ в комплекте с технологическими модулями ТМ, что позволяет охватить весь спектр условий и технологических операций (табл. 2).

 

Таблица 2. Базовые конфигурации и технический облик изделий «бестракторного земледелия» для отрасли промышленного садоводства и питомниководства

 

Концепция и принципы «бестракторного земледелия» позволяют оперативно и с минимальными финансовыми затратами обеспечить потребное количество машин и орудий для самых различных условий и технологий, что определяет это направление как «межотраслевую сквозную технологию». Примером практической реализации отдельных элементов «бестракторного земледелия» может служить действующий макет-демонстратор садового е-Дрона с пилотным названием «Русский челнок», созданный в Инжиниринговом центре ИнТех ФГБОУ ВО Мичуринского государственного аграрного университета (рис. 5). Это изделие с грузоподъемностью до 1000 кг и рабочей скоростью от 0 до 30 км/ч предназначено для сбора и транспортировки плодов. Отличительная особенность садового е-Дрона «Русский челнок» – использование 2 электроприводных мостов массового производства мощностью 1,2 кВт, что значительно снижает его стоимость (в 10 раз) по сравнению с существующими зарубежными самоходными садовыми платформами (в России такие платформы не производят).

 

Рис. 5. Садовый е-Дрон «Русский челнок»

 

Выводы. Исходным концептуальным принципом «бестракторного земледелия» служит отказ от применения трактора как единственно возможного мобильного энергетического средства и переход к наборам энергетических модулей-трансформеров электроприводного типа в комплекте с технологическими модулями, конфигурация и технический облик которых определяется условиями и видами технологических операций. Такой подход полностью обеспечивает технико-технологическое оснащение отрасли промышленного садоводства и питомниководства на всем диапазоне выполнения технологических операций. Универсальный характер методов «бестракторного земледелия» позволяет применять их во многих отраслях сельского хозяйства.

×

Об авторах

А. А. Завражнов

Мичуринский государственный аграрный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: noc-inteh@yandex.ru

кандидат технических наук

Россия, Мичуринск

А. И. Завражнов

Мичуринский государственный аграрный университет

Email: aiz@mgau.ru

доктор технических наук, академик РАН

Россия, Мичуринск

Список литературы

  1. Завражнов А. А., Завражнов А. И., Ланцев В. Ю. Принципы бестракторного земледелия в современном сельском хозяйстве // Цифровизация агропромышленного комплекса: сборник научных статей II Международной научно-практической конференции. Тамбов: Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2020. Т 1. С. 287–292.
  2. Гайко С. Н. Почвообрабатывающие рабочие органы – движители. Зерноград: Печатно-множительная группа ВНИПТИМЭСХ, 1999. 139 с.
  3. Кутьков Г. М. Развитие технической концепции трактора. Тракторы и сельхозмашины // Тракторы и сельхомашины. 2019. № 1. С. 27–35. doi: 10.31992/0321-4443-2019-1-27-35.
  4. Chamen W. C. T., Dowler D., Leede P. R., Longstaff D. J. Design, operation and performance of a gantry system: experience in arable cropping // Journal of Agricultural Engineering Research. 1994. Vol. 59. P. 45–60. doi: 10.1006/JAER.1994.1063.
  5. Васильев А. Л. Модульный принцип формирования техники. М.: Изд-во стандартов, 1989. 238 c.
  6. Дидманидзе О. Н., Девянин С. Н., Парлюк Е. П. Трактор сельскохозяйственный: вчера, сегодня, завтра // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2020. № 21 (1). С. 74–85. doi. 10.30766/ 2072–9081.2020.21.1.74–85.
  7. Коллективы интеллектуальных роботов. Сферы применения / под ред. В. И. Сырямкина. Томск: STT, 2018. 140 с.
  8. Жилкин О. Н., Лопаткин Р. В. Массовая кастомизация. Влияние на конкурентоспособность авиастроительных предприятий и развитие их индустриальных моделей // Вестник Евразийской науки. 2018. Т. 10. № 5. URL: https://esj.today/PDF/49ECVN518.pdf (дата обращения: 09.06.2024).
  9. Завражнов А. А., Завражнов А. И., Ланцев В. Ю. Передовые производственные технологии в решении проблем механизации трудоемких процессов в промышленном садоводстве // Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. № 8. С. 58–61.
  10. Инновационные технологии и технические средства для промышленного садоводства и питомниководства / А. А. Завражнов, А. Ю. Измайлов, А. И. Завражнов и др. // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2019. Т. 13. № 4. С. 16–25.
  11. Импортозамещение сельскохозяйственной техники для садоводства / А. И. Завражнов, А. Ю. Измайлов, А. А. Завражнов и др. // Техника и оборудование для села. 2019. № 1. С. 2–6.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Удельная трудоемкость технологических операций в промышленном садоводстве: – механизированный труд; – ручной труд

Скачать (121KB)
3. Рис. 2. Способы повышения эффективности тракторов тяговой и тягово-энергетической концепции

Скачать (380KB)
4. Рис. 3. Показатели эффективности тяговой, тягово-энергетической и энергетической концепций: – коэффициент использования двигателя; – энергонасыщенность

Скачать (77KB)
5. Рис. 4. Базовая комплектация энергетических модулей электроприводного типа изделий «бестракторного земледелия»: 1 – портальный мост; 2 – понижающий редуктор; 3 – низковольтный бесколлекторный электродвигатель с системой управления; 4 – комплект аккумуляторных батарей; 5 – ДВС-генератор

Скачать (107KB)
6. Таблица 2. Базовые конфигурации и технический облик изделий «бестракторного земледелия» для отрасли промышленного садоводства и питомниководства

7. Рис. 5. Садовый е-Дрон «Русский челнок»

Скачать (517KB)

© Российская академия наук, 2024