РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ЦЕНТР РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ ЕВРО-АЗИАТСКАЯ АССОЦИАЦИЯ СИГР
СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
ЭКОЛОГИЯ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ ТЕХНИКА Материалы 4-й Международной научно-практической конференции 25-26 мая 2005 года Санкт-Петербург В трех томах
Том 1
Общие экологические аспекты при разработке технологий и технических средств, используемых в сельскохозяйственном производстве
Санкт-Петербург 2005
ББК 41/42 Э 40 Экология и сельскохозяйственная техника. Т. 1. Общие экологические аспекты при разработке технологий и технических средств, используемых в сельскохозяйственном производстве: Материалы 4-й Международной научно-практической конференции. – СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2005. – 229 с. Рецензенты: Аллилуев В.А., д-р. техн. наук, проф.; Афанасьев В.Н., д-р. техн. наук; Белов В.В., д-р. техн. наук; Бровцин В.Н., д-р. техн. наук; Вагин Б.И., д-р. техн. наук; Валге А.М., др. техн. наук; Вторый В.Ф., д-р. техн. наук; Казимир А.П., д-р. техн. наук, проф.; Калюга В.В., д-р. техн. наук; Карпов В.Н., д-р. техн. наук; Липовский М.И., д-р. техн. наук; Сечкин В.С., д-р. техн. наук; Хазанов Е.Е., д-р. техн. наук. Международный Консультативный Комитет: Председатель Комитета: Лачуга Ю.Ф., вице-президент РАСХН, академик (Россия). Сопредседатели Комитета: Попов В.Д., директор СЗНИИМЭСХ, академик (Россия), Александр Шептицки, директор ИБМЕР (Польша); Члены Комитета: Андрес Аннук, (Эстония); Афанасьев В.Н. (Россия); Эгил Берге, (Норвегия); Дашков В.Н. (Республика Беларусь); Денисов В.Н. (Россия); Кормановский Л.П., академик (Россия); Ксеневич И.П., академик (Россия); Витаутас Кучинкас, (Литва); Мазоренко Д.И., академик (Украина); Минин В.Б. (Россия); Аксель Мюнак, президент СИГР 2003-2004 (Германия); Орсик Л.С., руководитель Департамента технической политики МСХ РФ (Россия); Луис Сантос Перейра, Президент СИГР 2005-2006 (Португалия); Русан В.И., академик (Республика Беларусь); Стребков Д.С., академик (Россия); Тихонович И.А., академик (Россия); Андрис Шнидерс (Латвия), Янковский И.Е., академик (Россия). Материалы научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственная техника» опубликованы в 3 томах. Конференция состоялась в ГНУ СЗНИИМЭСХ 25-26 мая 2005 года. Общее содержание каждого тома представлено ниже, перечень статей приведен в каждом соответствующем томе. Том 1. Общие экологические аспекты при разработке технологий и технических средств, используемых в сельскохозяйственном производстве. Том 2. Экологические аспекты производства продукции растениеводства, мобильной энергетики и сельскохозяйственных машин. Том 3. Экологические аспекты производства продукции животноводства и электротехнологий.
ISBN 5-88890-034-6 (т. 1.) ISBN 5-88890-033-8
© Издательство СЗНИИМЭСХ
RUSSIAN ACADEMY OF AGRICULTURAL SCIENCES NORTH-WEST RESERACH AND METHODICAL CENTER OF THE RUSSIAN ACADEMY OF AGRICULTURAL SCIENCES EURO-ASIAN ASSOCIATION OF AGRICULTURAL ENGINEERS NORTH-WEST RESEARCH INSTITUTE OF AGRICULTURAL ENGINEERING AND ELECTRIFICATION
ECOLOGY AND AGRICULTURAL MACHINERY Proceedings of the 4th International Scientific and Practical Conference May, 25-26, 2005 Saint-Petersburg In three volumes
Volume 1 General environmental aspects of designing and introducing technologies, machinery and equipment for agricultural production
Saint-Petersburg 2005
ББК 41/42 Э 40 Ecology and Agricultural Machinery. V.1. General environmental aspects of designing and application of agricultural technologies, machinery and equipment: Proceedings of the Fourth International Scientific and Practical Conference. – Saint-Petersburg, North-West Research Institute of Agricultural Engineering and Electrification (SZNIIMESH), 2005. – 229 p. Reviewers: V.N.Afanassiev, DSc (Eng); V.A.Alliluiev, DSc (Eng), Prof.; V.V.Belov, DSc (Eng); V.N.Brovtsyn., DSc (Eng); V.V.Kaliuga, DSc (Eng); V.N.Karpov, DSc (Eng); A.P.Kazimir, DSc (Eng), Prof.; E.E.Khazanov, DSc (Eng); M.I.Lipovsky, DSc (Eng); V.S.Sechkin, DSc (Eng); B.I.Vagin, DSc (Eng); A.M.Valge, DSc (Eng); V.F.Vtory, DSc (Eng). I nt er nat io nal Adviso r y Co mmittee: Chairman: Yury Lachuga, Vice-President of the Russian Academy of Agricultural Sciences, academician, Russia Co-Chairmen: Vladimir Popov, Director of SZNIIMESH, academician, Russia; Aleksander Szeptycki, director of Institute for Building, Mechanization and Electrification of Agriculture (IBMER), Poland Members: Viacheslav Afanasyev (Russia); Andres Annuk (Estonia); Egil Berge (Norway); Vladimir Dashkov (Republic of Belarus); Valery Denisov (Russia); Leonid Kormanovsky, academician (Russia); Ivan Ksenevich, academician (Russia); Vytautas Kučinscas (Lithuania); Dmitry Mazorenko (Ukraine); Vladislav Minin (Russia); Axel Munach, 2002-2004 President of CIGR (Germany); Leonid Orsik, Agriculture Ministry of the Russian Federation (Russia); Luis Santos Pereira, 2005-2006 CIGR President (Portugal); Vikentij Rusan, academician (Republic of Belarus); Andris Sniders (Latvia); Dmitry Strebkov, academician (Russia); Igor Tikhonovich, academician (Russia); Ivan Yankovsky, academician (Russia) Proceedings of Scientific and Practical Conference “Ecology and Agricultural Machinery” are published in three volumes. The conference was held at the North-West Research Institute of Agricultural Engineering and Electrification (SZNIIMESH), Saint-PetersburgPavlovsk on 25-26 May, 2005. V.1. - General environmental aspects of designing and application of agricultural technologies, machinery and equipment: Proceedings of the Fourth International Scientific and Practical Conference. V.2. - Environmental aspects of plant production, mobile power units and farm machines: Proceedings of the Fourth International Scientific and Practical Conference. V.3. - Environmental aspects of livestock production and agricultural application of electrical technologies: Proceedings of the Fourth International Scientific and Practical Conference.
ISBN 5-88890-034-6 (V. 1.) ISBN 5-88890-033-8
© Издательство СЗНИИМЭСХ
СОДЕРЖАНИЕ
Лачуга Ю.Ф. IV Международная научно-практическая конференция «Экология и сельскохозяйственная техника».......................................................................................... 7 Попов В.Д. Основные направления деятельности Северо-Западного НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства в решении экологических проблем.................. 10 Янковский И.Е. Северо-Западный научно-методический центр Россельхозакадемии: состав, основные задачи и результаты работы................................................................ 15 Ванг Маохуа Содействие механизации сельского хозяйства и практике точного земледелия в Китае............................................................................................................ 25 Краснощеков Н.В. О технологической модернизации сельскохозяйственного производства России ......................................................................................................... 26 Билл Стаут, Карл Рениус, Джон Шулер Производство сельскохозяйственной техники и его активизация в менее развитых странах .................................................... 57 Стребков Д.С. Солнечная энергетика: состояние и будущее развитие.......................... 58 Шептыцки А. Значение техники в системе устойчивого сельскохозяйственного производства...................................................................................................................... 72 Кормановский Л.П. Некоторые аспекты инженерии и экологии в молочном животноводстве ................................................................................................................. 79 Черноиванов В.И., Колчин А.В., Мехлин В.М. Обеспечение экологической безопасности тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин при эксплуатации............................................................................................................... 83 Ерохин М.Н., Попов В.Н. Формирование экологических знаний при подготовке агроинженерных кадров .................................................................................................... 90 Рунов Б.А. Совершенствование управления научной работой (НР) и инновационным процессом (ИП)................................................................................................................ 101 Афанасьев В.Н. Концепция развития системы экологической безопасности сельскохозяйственного производства............................................................................. 105 Ксеневич И.П., Соловейчик А.А., Орлов Н.М., Шевцов В.Г. Введение в теорию мобильных машинно-тракторных агрегатов с совмещением функций рабочей машины и движителя ..................................................................................................................... 112 Рогалев В.А., Денисов В.Н. Связь агропромышленного производства с экологией и ее отображение в планах работ МАНЭБ ............................................... 130 Федоренко В.Ф. Формирование информационных ресурсов машиннотехнологического обеспечения АПК .............................................................................. 134 Соловейчик А.А. Определение параметров ротационной почвообрабатывающей машины, совмещающей функции движителя мобильного агрегата ............................. 143
5
Кинг Янг, Шаопинг Шуе, Рейшианг Жу, Гуилан Шуе Разработка орудий для противоэрозионной обработки почвы в условиях засушливых земель северо-запада Китая......................................................................................................... 161 Цзян И-юань, Хэ Ти, Хао Хен-цань, Шу Циун-линь Прогресс в механизации консервационного культивирования пропашных культур и риса - эффективная мера сбережения земель от эрозии на северо-востоке Китая ................................................. 163 Tiansheng Hong, Wanzhang Wang Экспериментальное изучение распределение пестицида, распыленного из гидравлической насадки, с целью профильного моделирования распыла .................................................................................................. 182 Xiwen Luo, Xuecheng Zhou, Xiaolong Yan Исследование алгоритма сегментации для изображений корневой системы растений, полученных при помощи послойной компьютерной томографии на основе их пространственной геометрической характеристики ................................................................................................................ 192 Куликов И.М., Бычков В.В., Кадыкало Г.И. Ресурсосберегающий комплекс для работ в плодовом питомнике.................................................................................... 193 Смирнов И.Г. Экологические критерии формирования адаптивных технологий возделывания ягодных культур....................................................................................... 199 Лукинский Ю.В. Экологические критерии оценки технологий и технических средств уборки зерновых культур в Северо-Западном регионе России .................................... 202 Jinag Yi-yuan, Zhang Hui-you, Xu Jia-mei, Tu Chen-hai, Luo Peizhen, Jiang En-chen, Wang Jing-wu, Na Ming-jung, Han Bao История создания уборочной машины очесывающего типа и новый уборочный комбайн, формирующий валки соломы сразу после очеса....................................................................................................................... 213 Zuming LIU, Jian XIE, Chaofeng XIA, Maohua WANG Электрификация сельских районов в Китае ............................................................................................................... 219 Каледин Г.В., Попов А.В. Экологические и экономические критерии оценки технологических процессов………………………………………………………………………...219 РЕШЕНИЕ IV МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «ЭКОЛОГИЯ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ ТЕХНИКА» ...................................... 222
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Ю.Ф. Лачуга, академик Россельхозакадемии, д-р техн. наук, проф. Вице-президент Россельхозакадемии Вступительное слово IV МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ЭКОЛОГИЯ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ ТЕХНИКА» г. Пушкин, СЗНИИМЭСХ
25-27 мая 2005 года
Приветствую участников настоящей конференции от имени Президиума Российской академии сельскохозяйственных наук, Отделения механизации, электрификации и автоматизации нашей Академии и Оргкомитета. На настоящем заседании присутствуют ученые, как из России, так и многих стран мира, различных континентов Земли. Нас объединяет служение аграрной науке, которая, в свою очередь, служит всем людям Планеты Земля. Общеизвестно, что судьбы наций и народов в первую очередь зависят от наличия продуктов питания. Если не будет их - все другие материальные ценности утрачивают всякий смысл. Продукты питания дает нам земледелие путем консервации солнечной энергии в растениях. Далее по пищевым цепям она доходит до человека в виде продуктов растительного и животного происхождения. Используемые во всем мировом сельском хозяйстве машинные технологии получения сельскохозяйственной продукции пока обеспечивают (хотя и с трудом) продуктами питания население Земли в достаточной мере. Особая роль при этом отводится аграрной науке. Ученые главную цель науки в XXI веке видят в поисках путей выживания человечества в условиях бурного роста населения (2010 г. - 6,8 млрд. чел; к 2050 г. 9 млрд. чел.), загрязнения окружающей среды, изменений климата, сокращения потенциально пригодных для земледелия площадей пахотных земель и других глобальных проблем. Определенную лепту в эти процессы вносят сельскохозяйственные агротехнологии и техника: переуплотнение почв, изменение водных режимов питания растений, интенсификация выбросов углекислого и др. газов в атмосферу, повышение удельного расхода сырья и энергии на единицу конечной продукции, рост пестицидной нагрузки, практическое отсутствие грамотной полномасштабной утилизации технических средств производства (термин - созидательное разрушение) и многое другое. Сокращение антропогенной нагрузки на единицу агро-ландшафтов и конечной продукции требует иных, новых агротехнологий и ее носителей - техники и оборудования, новой организации труда. В цепь: ЧЕЛОВЕК-ПРИРОДА-МАШИНА сегодня закладываются фундаментальные знания экологизированного естествознания. Поступившие в Оргкомитет настоящей IV конференции доклады отражают поиск путей, средств, способов, процессов, машин для целей экологической безопасности машинных технологий производства сельскохозяйственной продукции. Как известно, первая конференция состоялась в мае 1998 года в данном институте под эгидой Северо-Западного научного центра Россельхозакадемии. Она собрала около 60 представителей ученых стран СНГ и послужила началом обсуждения в России 7
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. очень важного направления исследований по взаимодействию сельскохозяйственной техники с окружающей средой. В результате были расширены научные контакты российских ученых с их зарубежными коллегами, усилилась координация исследований в данном направлении в России. Вторая конференция, проходившая в институте в апреле 2000 года, собрала уже свыше 80 российских и зарубежных исследователей. Конференция приняла решение, активизировать проведение исследований по таким направлениям, как: 1) - разработка новых методов исследований при создании современных технологий и нового поколения машин, максимально адаптированных к условиям региона с учетом требований экологии; 2) - разработка нормативно-правовой базы экологической безопасности в системе инженерно-технического обеспечения АПК России; 3) - разработка координатных систем земледелия с использованием средств спутниковой связи и др. Третья конференция проходила под эгидой Россельхозакадемии и СИГР в июне 2002 года в СЗНИИМЭСХ. В ней участвовало свыше 130 ученых и специалистов из России и зарубежных стран. Основное решение конференции было направлено на совершенствование методов и средств рационального использования и повышения надежности сельскохозяйственной техники, машин и оборудования, поиск новых методов и способов использования альтернативных, нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и электротехнологий и др. Уважаемые коллеги! В связи с празднованием в 2004 году 300-летия СанктПетербурга и связанных с этим мероприятием организационных трудностей, Академия приняла решение перенести проведение нынешней 4-й конференции с 2004 на 2005 год. Опыт проведения предыдущих трех конференций показал, что институт механизации в Санкт-Петербурге проявил инициативу проведения собраний научных сообществ по очень важному направлению исследований для всего мира и для России в особенности, так как наша страна в текущем году присоединилась к Киотскому протоколу. Уважаемые коллеги! Придавая большое значение вопросам защиты окружающей среды, ученые и специалисты научно-исследовательских институтов Отделения механизации, электрификации и автоматизации Российской академии сельскохозяйственных наук за последние годы провели широкие исследования по снижению антропогенной нагрузки сельскохозяйственной техники на окружающую среду. Этому должно способствовать повышение эффективности сельскохозяйственного производства, пути которой определены стратегией машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России на период до 2010 года. Стратегия утверждена научной сессией Россельхозакадемии, Министерством промышленности, науки и технологий и Министерством сельского хозяйства России как основа формирования федеральной целевой программы стабилизации и развития агропромышленного комплекса России на период 2005-2010 годы. Стратегией определены следующие, напрямую относящиеся к теме данной конференции, приоритеты: - в области мобильной тракторной энергетики - это повышение единичной мощности тракторных агрегатов, рост их топливной экономичности, комфортности с обеспечением экологической сбалансированности использования тракторов и машиннотракторных агрегатов в целом; 8
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. - в области обработки почвы - создание многооперационных моноблоков, адаптивной, перенастраивающейся техники для различного уровня подготовки полей в системе нулевого минимального и противоэрозионного земледелия, гребнегрядовой обработки почвы на переувлажненных ландшафтах, глубокого рыхления на уплотненных землях, высококачественного выполнения финишных операций, специальных приемов обработки почвы в условиях рискованного (сухого) земледелия; - в области посевной техники - создание посевных комбайнов с выполнением за один проход финишной обработки почвы, двух-, трехуровневого внесения удобрений, обработки почвы гербицидами и точного высева семян и их уплотнения в рядке; - в области уборочной техники - совершенствование процессов обмолота и сепарации зерна, достижение высокой комфортности и экологичности уборочной техники; - в области технического обеспечения животноводства - разработка новых энергосберегающих, экологически чистых технологий и средств механизации, обеспечивающих повышение эффективности производства, снижение издержек, увеличение продуктивности животных, рациональное использование кормов, энергии и других ресурсов. По перечисленным направлениям исследований получен ряд положительных результатов. Об их результатах и развитии работ будут сделаны доклады. Уважаемые коллеги! Тема настоящей конференции вызвала большой интерес у научной общественности. На конференцию представлено более 100 научных докладов, в числе непосредственных участников значатся ученые многих стран (всего 46 человек из 11 стран). Разрешите мне от имени Оргкомитета открыть 4-ю Международную научнопрактическую конференцию «Экология и сельскохозяйственная техника» и пожелать ее участникам плодотворной работы и приятно провести время во 2-й столице России – Санкт-Петербурге и его окрестностях! БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!
9
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. В.Д. Попов, академик Россельхозакадемии, д-р техн. наук, проф. Директор Северо-Западного научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства (СЗНИИМЭСХ), Санкт-Петербург ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО НИИ МЕХАНИЗАЦИИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА В РЕШЕНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ Наш институт выступил инициатором проведения в Санкт-Петербурге международных научно-практических конференций по влиянию сельскохозяйственной техники на окружающую среду. Первая конференция состоялась в 1998 году. Актуальность рассматриваемых проблем привлекает к участию в конференции все большее число участников, в том числе и зарубежных. В нынешней IУ Международной конференции принимают участие специалисты из многих регионов России и 15 стран Европы, Азии и Северной Америки - работники научных учреждений, вузов и аппаратов Министерств и комитетов. Позвольте от имени оргкомитета и коллектива института приветствовать участников и гостей конференции. Несколько слов об институте и его работе. Наш институт ведет свою «родословную» от первого научного учреждения России по агроинженерным проблемам – Бюро по сельскохозяйственной механике Ученого комитета Главного управления землеустройства и земледелия, созданного в 1907 году в Санкт-Петербурге. Становление института как самостоятельного научного учреждения Северного и Северо-Западного экономических районов Российской Федерации, приходится на 1962 год. Из небольшого по численности коллектива к середине 1980-х институт превратился в мощное научно-производственное объединение «Нечерноземагромаш» с научно-исследовательским институтом, конструкторским и проектным бюро, опытнопроизводственным и транспортным предприятиями, 7 отделами в областях и республиках Северо-Запада. В эти годы по разработкам института серийно выпускалось более 80 наименований машин и оборудования, в том числе морково- и капустоуборочные машины, плуги, косилки, оборудование для животноводческих и птицеводческих ферм, тепличных комбинатов; по 12 типовым и 6 проектам повторного применения введено в эксплуатацию более 120 крупных сельскохозяйственных объектов, среди которых зернокомплексы, комплексы для крупного рогатого скота и свиней, овощехранилища, теплицы и электрокотельные и многое другое. С начала 1990-х годов институт, как многие другие институты академии, начал претерпевать значительные изменения, вызванные экономической ситуацией в стране. Для того чтобы выжить и найти свое место в науке и практике, необходимы были новые подходы в управлении научным учреждением. Была сделана ставка: в науке - на поиск новых закономерностей, разработку конкурентоспособных адаптивных машинных технологий для растениеводства и животноводства, на развитие инновационной деятельности; в кадровой политике – на подготовку молодых ученых. Сегодня с полной уверенностью можно сказать, что принятые решения себя оправдали. Реализация стратегического направления на развитие фундаментальных исследований позволила институту за последние пять лет разработать 15 новых адаптивных машинных технологий производства основных видов продукции растениеводства и 10
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. животноводства с использованием новейших достижений в смежных областях знаний, более 30 новых технических средств для использования в различных регионах России. Среди них 7 агрегатов для растениеводства (плуги, культиваторы, картофелесортировки, модули теплиц и пр.) и 10 видов оборудования для животноводства (кормораздатчики, станочное оборудование для свиней, навозоуборочное оборудование, мойки корнеплодов и др.), которые успешно прошли государственные испытания. Всего не перечислить. Развернута инновационная структура по технологическому и техническому оснащению сельских товаропроизводителей. Ежегодно научные разработки института осваиваются в 30-50 хозяйствах зоны на договорных условиях. В институте проводятся научные исследования в 16 отделах, лабораториях и секторах, работает 8 научно-инновационных подразделений, конструкторское бюро, экспериментально-производственное предприятие и три вспомогательных отдела. Имеющееся у института опытное хозяйство Каложицы с площадью сельскохозяйственных угодий 3000 га и поголовьем крупного рогатого скота около 1000 голов является одним из лучших в Северо-Западном регионе России. Созданы научные, методические и социально-бытовые условия для подготовки молодых ученых, функционирует аспирантура. Под руководством плеяды ученых института старшего поколения за последние пять лет защитили диссертации 28 аспирантов, из которых более 20 остались работать в институте. Сегодня в аспирантуре учатся 30 человек. Более половины руководителей подразделений института моложе 40 лет. Это создает условия для реализации преемственности поколений в науке и вселяет надежду, что у института есть будущее. В настоящее время институт работает над реализацией Стратегии машиннотехнологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России на период до 2010 года, одобренной Минсельхозом России и принятой научной сессией Россельхозакадемии. Это основная программа действий на ближайшее пятилетие, которая будет реализовываться по 4 направлениям: технологическое и техническое переоснащение сельскохозяйственного производства на базе адаптивных машинных технологий; эффективное использование и технический сервис сельскохозяйственной техники; энергетическая база сельскохозяйственного производства и энерго-, ресурсосбережение; и одно из главных – экологизация сельскохозяйственной техники и технологий. Улучшение экологической обстановки в сельском хозяйстве как Северо-Запада РФ, так и всей страны может быть достигнуто как путем введения организационных мер – специально разработанных законов и нормативов, так и путем жесткого контроля за отбором и выполнением технологий и применяемых для их реализации технических средств. С учетом этого в институте выполнены и выполняются следующие разработки. Разработана информационная модель почвообрабатывающего агрегата, учитывающая параметры трактора (мощность и массу), параметры агрегата (ширину захвата и скорость), тягово-сцепные свойства и условия работы (коэффициент сцепления), а также ограничения по качеству работы, нагрузке двигателя и воздействию на почву. Методика, разработанная на основе этой модели, позволяет определить оптимальные параметры и режимы работы почвообрабатывающих агрегатов и обеспечивает снижение расхода топлива до 15%, а снижение негативного влияния на почву в 1,5-2,0 раза. Разработано также устройство, автоматически обеспечивающее величину буксования на безопасном для почвы уровне при использовании его на агрегатах с изменяемой шириной захвата. Для улучшения сцепных свойств трактора предложено сдваивание ко11
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. лес, что позволяет улучшить тяговые показатели трактора на 13-18% и до 4 раз уменьшить глубину колеи, на 8-15% повысить сохранность урожая. С целью минимизации обработки почвы при возделывании сельскохозяйственных культур в институте разрабатываются чизельные плуги. Глубокое рыхление обеспечивает улучшение водно-воздушного режима, защиту почвы от водной и ветровой эрозии, снижение энергозатрат на 45-50%, а также повышение урожайности возделываемых культур – до 50%. Для обеспечения экологической безопасности совместно с институтом микробиологии разработана технология заготовки и хранения силоса с применением биологических заквасок. Для ее реализации разработан и изготовляется насос-дозатор для введения закваски в травяную массу при заготовке. В 2004 году реализовано более 200 насосов-дозаторов. Применение этой техники позволило отказаться от химических консервантов и снизить затраты при заготовке силоса в 1,5-2,0 раза. Для улучшения экологической ситуации на животноводческих предприятиях в институте разработана и успешно применяется при массовой реконструкции молочных ферм система шнекового удаления и насосного транспортирования навоза в хранилища, обеспечивающая снижение поступления воды в навоз, потерь его и затрат при транспортировке. В целях снижения потерь физической массы и питательных веществ при хранении и внесении удобрений в почву и более полного усвоения питательных веществ растениями в институте разработана технология ферментативной переработки помета в биореакторах с последующей корректировкой состава питательных веществ минеральными удобрениями и гранулированием смеси. С помощью биореакторов можно также получать биологически активный грунт из торфа с введением в него селекционированной почвенной микрофлоры. Применение такого грунта в теплицах обеспечивает повышение урожайности ранней продукции на 30-40%. Только за счет качества рассады, полученной на биологически активном грунте, урожай капусты в поле возрастает на 25-30%. При этом одновременно происходит оздоровление почвы, загрязненной пестицидами. Для эффективного использования сточных вод доильных площадок, выделяемого животными тепла, углекислого газа и аммиака разрабатывается безотходная ферма путем объединения животноводческих помещений с культивационными сооружениями. Технология производства молока на безотходной ферме на 800 коров с использованием вторичных и возобновляемых энергоресурсов позволяет сократить трудоемкость производства молока в 1,6 раза, совокупную энергоемкость в 1,4 раза, металлоемкость в 2,4 раза, коэффициент энергетической эффективности производства увеличивается в 1,6 раза без учета продукции, производимой в прифермской теплице. Такое направление является ярким примером эффективного решения экологической и технологической проблем. Для повышения эффективности использования средств защиты растений в институте разработан ультрамалоообъемный протравливатель, предназначенный для предпосевной и послеуборочной обработки семенного картофеля защитностимулирующими препаратами. С целью снижения объемов подачи приточного воздуха внутри помещений путем осушки и очистки внутреннего воздуха в институте разработаны конструкции теплообменников-осушителей воздуха для помещений с принудительной и естественной системами вентиляции. Такие устройства позволяют уловить около 30% аммиака и 15% 12
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. углекислого газа из воздуха и на 25-30% снизить его влагосодержание. Общие выбросы аммиака в атмосферу снижаются на 50%. Для тепличных хозяйств разработана технология полива и минерального питания растений, позволяющая повысить усвояемость удобрений. Это позволяет уменьшить расход минеральных удобрений до 25% и существенно сократить загрязнение подпочвенных вод через устаревшие дренажные системы. Для постоянного контроля экологической ситуации в сельском хозяйстве разрабатывается методика эколого-экономической оценки применяемых в сельскохозяйственном производстве технологий и технических средств. В качестве интегрального показателя для оценки негативных последствий техногенного загрязнения сельскохозяйственных угодий предлагается использовать экологический ущерб, выражаемый как в натуральных единицах измерения, так и в стоимостной форме. Более подробно о разработках института по экологическим проблемам будет изложено в докладах сотрудников нашего коллектива на конференции. В заключение позвольте пожелать участникам конференции плодотворной успешной работы, в результате которой будут выработаны основные направления деятельности научных учреждений по снижению отрицательного влияния сельскохозяйственной техники и технологий на окружающую среду. Мы будем признательны за критические замечания и предложения по организации конференции, которые мы учтем в ходе подготовки пятой международной научнопрактической конференции «Экология и сельскохозяйственная техника», которую мы планируем провести в 2007 году и посвятить 100-летию первого научного агроинженерного учреждения России. Получено 25.05.2005.
V.D.Popov, DSc (Eng), academician of Russian Academy of Agricultural Sciences, professor North-West Research Institute of Agricultural Engineering and Electrification, Saint-Petersburg, Russia KEY LINES OF RESEARCH AND DEVELOPMENT ACTIVITY OF THE NORTH-WEST RESEARCH INSTITUTE OF AGRICULTURAL ENGINEERING AND ELECTRIFICATION (SZNIIMESH) IN ENVIRONMENTAL PROBLEMS SOLVING Summary In 1998 to the initiative of North-West Research Institute of Agricultural Engineering and Electrification the first International Scientific and Practical Conference on the environmental effect of agricultural machinery was held in St-Petersburg. The 4-th conference gathered researchers, experts, lecturers, environmental officials from various parts of Russia and 15 countries of Europe, Asia, and North America. The history of the institute dates back to 1907 when the first in Russia agroengineering institution – Bureau on Agricultural Mechanics – was established in StPetersburg. 13
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
The 60-ies of the last century were the formation period of the institute as an independent research organization. By the mid-80ies the institute has grown into a big scientificindustrial amalgamation “Nechernozemagromash” having a research institute, design bureau, experimental workshops, transportation department, and 7 affiliated departments in various regions of Russia in its structure. From the early 90-ies the institute has undergone substantial changes as a result of the general economic changes in the country. The new priorities were defined both in research – designing of competitive adaptive machine-based technologies and machines for plant and livestock production, innovative activity, and in manpower policy – training of young specialists. For the last 5 years 15 new adaptive technologies more than 30 machines and equipment were designed. Annually new developments are introduced on 30 to 50 farms in the North-West of Russia on contractual basis. The institute has 16 research departments, laboratories and sectors, a design bureau, experimental workshops and 3 auxiliary departments. The experimental farm “Kalozhitsy” having 300 hectares of farm lands and 1000 head of cattle is considered one of the most efficient on the region. Presently 30 young researchers are preparing their candidate of science thesis at the post-graduate course. The key current activity is realization of Strategy of machine and technological support of agricultural production in Russia for the period up to 2010 approved by the Agriculture Ministry of the Russian Federation and adopted by the Russian Academy of Agricultural Sciences. This is the basic action plan , which will be implemented in four areas: technological and engineering modernization of farming, efficient maintenance of machines and equipment; improvement of power supply systems and power economy; ecologization of farming. With this aims in view the institute carries out R&D activity in the following directions: designing of effective soil tilling tractor/implement systems; techniques and equipment for high-quality silage making with the use of biological conservation agents; a system of screw-and-pump manure removal and transportation from dairy farms; equipment and technique for animal and poultry waste processing to produce high-quality organic fertilizers; a method to apply waste water from milking parlours and emissions from livestock houses when growing plants in the adjacent hothouse; new ventilation devices to reduce ammonia emissions from livestock houses; special watering and mineral fertilizing techniques for greenhouses; an ecological and economic estimation technique of farms, and others.
14
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. И.Е. Янковский, академик Россельхозакадемии, д-р техн. наук Первый зам. председателя Северо-Западного научно-методического центра Россельхозакадемии, Санкт-Петербург СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ЦЕНТР РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ: СОСТАВ, ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Приведены состав, основные задачи и результаты работы Северо-Западного научно-методического центра Россельхозакадемии. Разрешите мне от имени Совета Северо-Западного научно-методического центра Российской академии сельскохозяйственных наук приветствовать Вас в СанктПетербурге-Пушкине и поздравить с открытием 4-й Международной научнопрактической конференции «Экология и сельскохозяйственная техника». Проведение 4-й конференции по данной проблеме свидетельствует о большой ее актуальности. Конференция проводится в Северо-Западном НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства, расположенном в городе Пушкине, городе, который достаточно давно завоевал славу крупнейшего Центра аграрной науки нашей страны. Здесь получили развитие и успешно работают Всероссийские институты – растениеводства, защиты растений, сельскохозяйственной микробиологи, региональные института механизации и электрификации сельского хозяйства, экономики сельского хозяйства, а также Санкт-Петербургский Государственный аграрный университет. Такая концентрация научного потенциала стала определяющей в 1975 году при организации в г. Пушкине Отделения ВАСХНИЛ по Нечерноземной зоне РФ – крупнейшего регионального штаба аграрной науки. Преемником Отделения в последние годы становится Северо-Западный научно-методический центр. Сегодня Центр объединяет в своем составе 19 Всероссийских и региональных НИУ, 15 действительных членов (академиков) и 11 членов-корреспондентов, руководителей и ведущих ученых НИУ и Вузов, в меньшей степени занимается административным управлением, уделяя максимум внимания следующим направлениям деятельности: - определение приоритетов в научной деятельности научных учреждений, входящих в его состав, в соответствии со спецификой и специализацией сельского хозяйства Северо-Запада России и приоритетными направлениями развития науки и техники, утвержденными Правительством Российской Федерации; - научно-методическое руководство и координация фундаментальных и прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК Северо-Западного региона Российской Федерации, проводимых научными учреждениями зоны его деятельности; - разработка комплексных научно-технических программ фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК Северо-Запада Российской Федерации; - организация и проведение совместно с отраслевыми отделениями Россельхозакадемии ежегодных отчетных сессий по результатам научной и производственной деятельности входящих в состав Научно-методического центра региональных НИУ, всероссийских НИУ (в части региональной тематики) с последующим представлением сводного отчета о работе по научному обеспечению развития АПК Северо-Западного региона Российской Федерации в Президиум Россельхозакадемии; 15
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. - проведение мониторинга АПК Северо-Западного региона РФ и другим направлениям, определяющим в совокупности организацию комплексного научного обеспечения развития АПК этого региона. Научно-исследовательскими учреждениями Центра за последнее время создано и рекомендовано для внедрения 377 научно-технических разработок, среди которых: 45 новых сортов сельскохозяйственных культур; 12 новых типов, линий и кроссов сельскохозяйственных животных и птицы; 21 наименование биологических и бактериальных препаратов; 35 технологий растениеводства и животноводства; 16 наименований сельскохозяйственных машин и агрегатов; 10 новых видов пищевых продуктов; 12 систем по экономике, управлению и организации сельскохозяйственного производства. В своих исследованиях институты уделяют значительное внимание проблеме «Экология». Так, например, в институте механизации, где проходит конференция, разработана концепция развития экологической ситуации в сельскохозяйственном производстве, механизированных процессов производства и применения органо-минеральных удобрений; концепция развития экологической ситуации определяет первоочередные мероприятия по стабилизации и улучшению качественных показателей компонентов природной среды в сельском хозяйстве. Она содержит основные мероприятия: повышение плодородия и сохранения структуры почв; защита почвы, атмосферного воздуха и водных источников от загрязнения. Разработано программное обеспечение методики экологической оценки. Программа расчета эколого-экономического ущерба позволяет оперативно контролировать состояние экологической ситуации при производстве продукции сельского хозяйства. Разработан и изготовлен опытный образец механизированной линии производства удобрений, который позволит ускорить реализацию прогрессивного направления применения отходов животноводства и птицеводства. Разработаны также рекомендации по модернизации технологии производства молока на типовых фермах, обеспечивающие снижение удельных трудозатрат на производство молока до уровня стран Евросоюза. Модернизация ферм позволяет уменьшить опасность загрязнения окружающей среды отходами животноводства, повысить качество получаемой продукции, сократить количество обслуживающего персонала в 1,7-2,5 раза и улучшить условия его труда. Результаты исследований при разработке рекомендаций широко используются при реконструкции действующих и строительстве новых ферм в ряде регионов России. Изготовлен и прошел испытания активный каток для формирования гребней и внесения минеральных удобрений. Применение данного агрегата в комплексе машин по посеву столовых корнеплодов повышает урожайность овощей за счет более равномерной глубины заделки семян и внесения минеральных удобрений непосредственно в зону роста и тем самым сокращение нормы внесения минеральных удобрений в 2 раза. Эти и другие разработки в области экологизации сельскохозяйственного производства будут рассмотрены на заседаниях секций. Уважаемые коллеги! Позвольте еще раз приветствовать Вас на СанктПетербугской-Ленинградской земле, пожелать успешной работы и плодотворного проведения отдыха. Получено 25.05.2005. 16
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
I.Ye.Yankovsky, academician of the Russian Academy of Agricultural Sciences (RAAS), North-West Scientific and Methodological Center of RAAS, St-Petersburg, Russia NORTH-WEST SCIENTIFIC AND METHODOLOGICAL CENTER OF RAAS: STRUCTURE, AIMS AND OBJECTIVES, EFFECTS Summary The paper presents the structure, key directions and outcomes of research and methodological activity of the North-West Scientific and Methodological Center of Russian Academy of Agricultural Sciences. Presently there are 19 All-Russia and regional research institutions in the organization structure of the Center with 15 academicians and 11 corresponding members of RAAS, and numerous researchers. The current activity of the Center is focused on: - identifying the R&D priorities of affiliated research institutions with due account for the specific features of farming in the North-West of Russia; - scientific and methodological guidance and coordination of fundamental and applied research; - elaboration of integrated programs of fundamental and applied research; - organization of annual reporting scientific sessions; - agro-industrial outcomes monitoring Research institutions within the Center have recently created and introduced into practice 45 new farm crop varieties, 12 new types, lines and crosses of farm animals and poultry, 21 biological and bacterial preparations, 35 plant and livestock growing techniques, 16 machines and equipment, 10 kinds of food-stuffs. Research institutions also pay great attention to environmental aspects of farm practices.
Wang Maohua 1
NEW PROMOTION OF AGRICULTURAL MECHANIZATION AND PRACTICE OF PRECISION AGRICULTURE IN CHINA
Key Laboratory on Modern Precision Agriculture System Integration Research, Ministry of Education China Agricultural University , P. R. China Abstract Since the beginning of the new millennium, China’s agriculture has started a new development phase. Adjusting agro-industry structure, improving production efficiency, increasing farmers’ income, and improving ecological environment have become the predominant tasks. The next 5 – 15 years will be the key period for China’s social and economic development to lay foundations for inheriting the past and ushering in the future. A new law entitled “State Law on Promotion of Agricultural Mechanization” was adopted in last June 1
Author Professor, China Agricultural University, Academician of Chinese Academy of Engineering, Email:
[email protected]
17
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
and effective as of November 1, 2004. China is starting a new period featured with industry supporting agriculture and urban supporting rural development. This paper overviews the recent development state of China’s agricultural mechanization and equipment manufacturing industry. Precision agriculture as an information and knowledge-based management concept in farming has been practiced in China in the last 6 years. Precision farming practice and technology innovation activities and ideas on the further promotion are also briefly reviewed and discussed in this paper. Keywords: Promotion of agricultural mechanization, farm machinery industry development, ICT for agriculture, precision agriculture INTRODUCTION Since the beginning of the new millennium, China’s agriculture has started a new development phase. The comprehensive ability of agricultural production has been enhanced by a big margin; grain production has realized the transition from a long-term shortage to a general balance and surplus in bumper harvest years; and, the issue of food supply for the whole country has basically been solved. China has become the largest grain and meat production country in the world. Adjusting the agro-industry structure, improving production efficiency, increasing farmers’ income, and improving ecological environment have become the predominant tasks. To actively promote the transformation of traditional farming into an industrialized operation and to develop agro-industries with a high commodity rate, a high valueadded rate, and a high foreign-exchange earning rate have drawn a great attention in the development. Improvement in farmers’ income should be transformed from mainly relaying on increasing yield and price into relying on adjusting the agricultural structure, speeding up urbanization and developing diversified economic activities, especially non-agricultural industrial activities. The next 5 – 15 years will be the key period for China’s social and economic development to lay foundations for inheriting the past and ushering in the future. The country will smoothly promote industrialization and urbanization to support a rapid growth and a sustainable development of the national social economy. The promotion of agricultural mechanization has become an important driving force for agriculture and rural economic development. A new law entitled “State Law on Promotion of Agricultural Mechanization” was adopted in last June and effective as of November 1, 2004. It requires that all government bodies above the county level should add the promotion of agricultural mechanization to the national and social development plans and gradually increase financial support to the development. China is starting a new period featured with industry supporting agriculture and urban supporting rural development. This paper overviews the recent development state of China’s agricultural mechanization and machinery manufacturing industry, the challenges and opportunities for speeding up the further development. The ideas for promoting agricultural mechanization and vitalizing equipment manufacturing industry are needed and discussed for technological and system management innovation and international cooperation enhancement. The ICT advances have smoothly changed many technologies in agro-industry. Precision agriculture as an information and knowledge-based management concept in farming has been practiced in China in the last 6 years. Precision farming practice and technology innovation activities and ideas on the further promotion are also briefly reviewed and discussed in this paper. A FAVOURABLE PERIOD OF SPEEDING UP DEVELOPMENT OF AGRICULTUR- AL MECHANIZATION 18
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
The agricultural development in China since the mid-1990s has shown a great challenge in crop production systems to ensure the increasing grain supply security and sustainable development of the national economy. The facts of grain production and farmers’ income in crop production systems were featured with sustained reduction of grain production, decrease of grain planting areas and slow improvement of crop producers’ net income. The government has adjusted the social and economic development strategy and adopted a series of strategic measures to promote agriculture and rural economy development since 2003, including giving top priority to solve “agriculture, rural and farmers’ problems” in the National Social & Economic Development Program; balancing urban and rural economy development; speeding up strategic re-adjustment of agricultural and rural economy structure, and reducing farmers’ load by reforming rural tax systems and adopting preferential subsidy policies directly for producers. In 2004, there was reducing farmland’s tax of US$3.6 billion, providing subsidies for adoption of improved seeds and farm machinery and subsidy for grain producers with US$1.8 billion. The total investment to agriculture from central government was increased from US$14.46 billion in 2003 to US$19.88 billion in 2004. The annual increased rate reached 37.5 %. It was this reason that activated the enthusiasm of grain producers and got a bumper harvest of total grain output of 469.47 mil. tons in 2004 in comparison with 430 mil. tons in 2003. The farmers’ net income turned over in 2004 from many years’ lower than 5% and got an increase of 6.84% in 2004. The market demand of agricultural equipment was shifted toward production process mechanization with large- & middle-scale power. The government announced that China is starting a new period featured with industry supporting agriculture and urban supporting rural development. Twenty-six of the 31 provinces/autonomous regions in the country have announced full exemption of farmland taxes since the State Law was effective on 1st Nov., 2004. Currently, the average agricultural mechanization level in the country is still low. The comprehensive field mechanization levels (2004) are: tillage - 47 %; sowing - 27 %; harvesting - 20 % in 2004. The mechanization levels of sowing, planting and harvesting by main crops (2004) are as follows: Sowing / planting Harvesting Winter wheat 78 % 75 % Paddy Rice 6.16 % 23.6 % Corn 48.24 % 2.03 % The new State Law on promotion of agricultural mechanization targets at speeding up development of agricultural mechanization and providing an aid to support producers and rural service organizations with advanced and appropriate machinery. It mainly refers to as R & D in development of machinery products, quality insurance of machinery products, technology extension & application, socialized service system development, and policy on subsidy and investment support. The State Law requires that all government bodies above county level should add the promotion of agricultural mechanization to the national and social development plans and gradually increase financial support to the development. The recent trends of agricultural mechanization and equipment industry development are characterized with: 1). Sustained increases of farm power-use; 2). Great changes in market demand structures for farm power consumption; 3). Fast increase for mid- and large-scale tractors and implements demand; 3). Increase of export and import of farm machinery; 4). Expansion of mechanization service from field production to pre- & post harvest treatment & processing, from grain crops to cash crops, and from grain crop production to horticulture, livestock, forestry, etc. The rapid development of mechanization service systems has played an important role in promotion of farmers to adopt mechanized operations. There are 32.14 million various service organizations and 38.36 million professionals providing mechaniza19
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
tion services in rural areas with a total income of US$29.4 billion in 2004. Over 410,000 combines and harvesters involved in the trans-regional wheat and rice harvesting services. To realize overall agricultural mechanization in China still requires strong efforts. The mechanization of wheat production has been popularized and maturated. The conservation tillage promotion has been fast extended in semi-arid areas. The neck-bottle technologies of paddy rice planting and harvesting mechanization have achieved a breakthrough and a fast extension in recent years. The development of maize and oil seed harvesters in coincidence with renovation of the traditional agronomic technologies is still facing a great challenge. The key technologies of mechanization in cash crops, facility horticulture and livestock production systems still need to be investigated and developed. The challenges include lower farmers’ income and weak purchasing capability of producers, unavailability of various machinery to meet marketing demands, and insufficient technical innovation capability in R & D. The priorities for further improvement of agricultural mechanization and machinery technology innovation should be emphasized on conservation tillage, precise sowing, sub-soil deep loosening, straw incorporation, water saving irrigation, maize harvesting, other crop mechanization including rape seed sowing/planting and harvesting, cotton picking, sugarcane harvesting, tuber crop planting & harvesting, mechanization in facility horticulture, forage, vegetable and fruits production, etc. The agricultural mechanization services organization and specialized farm households will continuously be developed in rural areas and become an effective way to shift farmers into industry and increase farmers’ income. ACTUAL STATE AND TREND OF AGRICULTURAL EQUIPMENT INDUSTRY China’s agricultural equipment industries have been gradually established since the founding of new China. Currently, China can supply many kinds of farm power and implements according to the requirements of agricultural production and meet the marketing demands for China’s agricultural mechanization, and has smoothly improved its competitive power with smaller and lower-cost products in the international market. During more than 50 years’ development, a relatively complete agricultural machinery industry system, which covers scientific research, development, manufacturing, sale, services has been set up progressively. It can be generally divided into four categories: 1). the scientific research and development system combines scientific research institutes, universities, high education institutions and enterprises; 2). the manufacture system consists of over 8000 products manufacturing enterprises; 3). the sale and service system combines enterprises and agricultural machinery selling corporation; and 4). the popularization and demonstration system combines the technology popularization department of the agricultural machinery and enterprises. China is vast in territory and the natural and economic conditions are different in various regions, which make China’s agricultural machinery products complicated in categories and varieties. Now China can produce 14 general classes, 95 sub-classes, and more than 3000 varieties of agricultural machines. In recent years, with constant perfection of Chinese market economy and continuous deepening of the system reform, agricultural machinery has gradually formed the ownership composition of joint development of state-run, private and “three kinds of foreigninvested” enterprises. The agricultural machinery enterprises are in large quantity with small scale. According to the 2003 statistics of the State Statistics Bureau of China, there were 1469 enterprises (not including the production enterprises of diesel and irrigation and drainage machinery) with medium to large scales that had an annual sales’ income of over US$600 thousand and employed a total of 410,000 workers. Only 4 of them had the annual sales’ income over US$250 million. There are 181 medium- to large-scale enterprises in the trade of tractors with the average sales’ income of US$11 million. The production capability of China’s agri20
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
cultural machinery enterprises is strengthened progressively. The total output value of the agricultural machinery industry was US$5.3 billon in 1992 and has increased to US$14.4 billion in 2002. Its average rate of increase was up to 8%. The sale of agricultural machinery in 2004 has reached US$9.6 billon. China’s agricultural machinery products have been exported since the middle period of the 1950s. Owing to their appropriate and practical performance in less developed regions and their lower prices, Chinese small- & mid-scale agricultural machinery products have good competition power in the international market, particularly in less developed regions. The industry will get continuous development and maintain its fast developing state in the forthcoming years. China’s agricultural machinery manufacturing enterprises will certainly meet crucial challenges with the foreign trans-corporation in the market competition. China’s machinery enterprises must strengthen themselves constantly in order to possess the ability to compete with the world-famous transnational agricultural machinery enterprises in the international market and positively tackle the fierce market competition from worldfamous transnational agricultural machinery enterprises both at home and abroad. The export of the agricultural machinery products has shown the growing situation in the recent years, but the export proportion in the total output value is still small, up to about 10% by average. It reflects the great gap, which still exists between the supply of Chinese agricultural machinery products and the constantly-changing demand in the world. The manufacturing capability on medium and large agricultural machinery with high added value and high-tech content in China’s agricultural machinery industry is seriously insufficient. It can't meet the fast changing market requirement of agricultural and rural economy structural adjustment in the new stage. There is a great demand space in China for agricultural machinery. Recently, the Chinese government has issued a series of policies which support the solving the problems facing “agriculture, rural areas and farmers” and promote the increase of farmers’ income in order to provide guarantee for promotion of agricultural mechanization. Specifically, the deductions and exemptions of the agricultural tax and subsidy to the farmers engaged in cereal production to buy larger and middle-scale machinery have obviously improved farmers’ enthusiasm to adopt agricultural machinery. There is still a wide leeway for the improvement of the agricultural machinery industry level. The production cost of Chinese agriculture is still high and the farmers’ net income is low. Since the land scale is limited while the population is large, the management is in small scale and not much advanced engineering equipment with new & high technologies has been produced. The development of China’s agricultural machinery requires strengthening international exchange and cooperation in the future. The current highspeed economic development in China and the constantly deepening restructuring of the agricultural and rural economy system have brought new opportunities for the scientific research and renovation manufacturing industries of agricultural machinery. The new opportunities are not only for Chinese R&D institutions and enterprises, but also open for global agricultural machinery manufacturing industries. The Chinese market needs overseas advanced and appropriate agricultural machinery and new technology. Multiple cooperative ways, such as technology and advanced product importation, cooperative R & D on new technology and machinery, extension of the advanced design and manufacturing technologies and enterprises management, joint venture production and establishment of sole-funded factories, can be adopted and investigated. There are 70 agricultural machinery sub-companies or joint-venture enterprises established in China now. The partners and investors include John-Deere, New Holland, Yammar, Kubota, Dong Yang, San Jiu, Jinzi, Valtra, Claas, etc. Products from these famous manufacturers have started to be accepted by Chinese customers in recent years. The successful cooperation between China and foreign enterprises has showed that the big Chi21
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
nese market and the opportunity to get profits and benefits are open and attractive. It is really worthwhile for all manufacturing companies over the world to catch and investigate the opportunity with the Chinese agricultural machinery section. PRACTICE ON PRECISION AGRICULTURE The rapid evolution of ICT in the past decades has created a good opportunity to renovate agriculture and rural economy. It is convinced that the gap of the starting lines between developed and developing worlds to use ICT for sustainable agriculture is much smaller than that in other traditional industries and industrialized areas. The technologies and equipment that are being used can be at the similar technical level and the cost of investment for construction may be even cheaper than in developed regions. The technical transfer and knowledge dissemination are now very easy to realize based on the opening global and local network. China has adopted a strategy of leading its industrialization based on promotion of informatization of national economy and social development. Precision agriculture is regarded as an information revolution in agricultural systems in the future. It is a management strategy that uses information technologies to bring data from multiple sources to bear on decisions associated with agricultural production, marketing, finance, and personnel. It targets to increase efficiencies based on more information and more precise management, to increase productivity and add value of products and keep food safety as well as to improve management with lower risks and environmental consequences of farming activities. The experiences in some developing countries have shown that as a new concept to manage resources and production systems with information technology, precision agriculture technology not only is suitable to large-scale farming, but also could be effectively extended to improve small-scale farming and conventional agriculture reconstruction in developing countries through data collection at an appropriate scale, interpretation and analysis of that data, and implementation of management plans at an appropriate scale and time as well as with appropriate tools. The practice of precision agriculture concept is required for a multidisciplinary integrated approach. The highest possible accuracy is not always needed. Reliability, cost, technical support and education to diverse conditions are the most important, and the end users are key factors in the promotion. The concept of precision management of agricultural production needs to be in the minds of the farmers, not only in the technologies. This requires dissemination of the concepts and training of extension service personnel. Concepts and infrastructure for this have to be developed and implemented by the support from the central and local governments. Recent surveys show that the infrastructure of PA services is developing and the adoption by producers of some practices continues to increase. The applied fundamental and development research is very important for the promotion. After investigation and research development in the mid-1990s, China has started PA practice in various regions. Some demonstration projects have been set up in suburbs of Beijing, Shanghai and other large-scale reclamation farms in North and West China. Research centers and laboratories have been established at universities and research institutions to provide R & D of appropriate technologies. PA has becoming a specific subject in Agricultural and Biological Engineering (ABE) international conferences and workshops in China. The first overall trial practice on PA demo-farm in China was set up in 1999. The project aimed at assimilating advanced technology in the world and exploiting China’s own PA technology system, demonstrating the function of high-tech in transporting traditional farming into modern agriculture, creating a window to show the system and supported technologies, and building a platform to conduct field soil surveying and testing of imported equipment, learning operation skills for VRT equipment, and innovating appropriate technologies. The practices are 22
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
not only for PA development, but also benefit to expanding ICT development for agriculture and rural development. However, there exist many problems in practical implementation. PA is not just an injection of new technologies, but rather a concept revolution for production system management based on ICT. Information and knowledge era provides a prospective opportunity to adopt a leap forward development strategy through promotion of the knowledge and technical transfer from advanced countries. The most important is to digest the concepts, knowledge and experiences to integrate appropriate technologies and development modules. In China, a great attention has been toward developing domestic lower-cost technologies, equipment and appropriate integration based on our own farming conditions. The recent R & D projects in practice are conducted as follows: 1) Development of key technologies and equipment on applications of GPS, GIS and RS for field spatial information acquisition, processing and positioning navigation for farm machinery; 2) Development of advanced sensing and data processing technologies and appropriate low-cost tools for acquisition of field soil and water, crop status and yield information; 3) Development of computer aided knowledge systems and decision support systems for farming and resources management. 4) Technical digestion, evaluation and rational operation of imported equipment and system integration technologies and development of appropriate domestic ICT supporting technologies and intelligent VRT farm equipment; 5) Development of intelligent monitoring and control systems for farm equipment and appropriate system integration technologies with profit analysis; 6) Extension of technology, training and advisory services, etc. In general, the precision agriculture development should be seen as an evolutionary process. In the recent agro-industry reconstruction in China, the ideas of precision agriculture as an information- and knowledge-based approach should be extended into intensive horticulture, precision livestock farming and aquaculture, processing agro-products, as well as precise business management for the entire food chain including product traceability and system process documentation. The recent new trend of creation of agricultural product traceability systems will rely on many precision farming technologies and information system support. It would be fundamental to expand the precision agriculture concept and create information and knowledge-based precision sustainable agricultural production systems. Actually, since the mid-1970s, Precision Livestock Farming (PLF) has been established through animal specific developments of several kinds, notably transponders for animal identification (now coded to ISO standards); automatic animal weighing (now an application of image analysis); method of controlled feed rationing and lately robotic milking. The livestock farmers will adopt new technology if it meets their needs to high quality products in the economic ways. Public concerns for animal welfare and for the traceability of animal’s life history have further broadened the scope for both animal-specific and site-specific PLF. The orchard and forestry management requires site-specific and information-based precision management, the agro-food sector needs to e-trade and optimize business management for goods flow, and the recent RFID technology is initiating an individual-based product management and goods flow business revolution. All these will support precision farming development. We are interested in investigation of cooperative promotion of technological development and equipment innovation to support PA practice with our Russian partners in the future. CONCLUSIONS 23
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
China’s agriculture has entered a new development stage for industrialization and modernization. Agricultural mechanization and equipment industry, promotion of R & D and technology innovation will have a favorable development environment. The sustainable development of agriculture and food security and safety require and strongly widen the engineering inputs and services. It will cover soil & water management, biomass resources exploitation and utilization, renewable bio-based materials and energy development, precisely managing farming process, advanced processing technology of bio-products and equipment development, modern agro-industry management, etc. The modern ICT advances provide a prosperous possibility for technological innovation to transform traditional agriculture into modern agriculture and to serve full food chain & product traceability. Investigation of new approaches and enhancement of intl. & regional technical transfer, technical & business cooperation will bring a great benefit to all partners. AKNOWLEDGEMENTS Sincere thanks for the support of 863 High-Tech Project on “Research and Development on Key Appropriate Technologies for Precision Agriculture” ( 2003AA209040) and contribution of the research group in the Key Lab of PA Integration Research at CAU to this paper. REFERENCES: 1. Naiqian Zhang, Maohua Wang, Ning Wang, Precision agriculture — a worldwide overview, Computer and Electronics in Agriculture, 36(2002) 113 132, Elsevier, The Netherlands. 2. Maohua Wang, Practices of Precision Agriculture in China and Perspectives for Regional Cooperation, Proceedings of Seminar of Asia Precision Agriculture Sponsored by National Agricultural Mechanization Research Institute, pp.5-16, February 15th, 2003, NAMRI, Korea. 3. Maohua Wang, Practical Practice of precision agriculture and priorities to promote technological innovation in P. R. China, Proceedings of 4th ECPA, June 2003, Berlin. Edited by Stafford A.Werner, Wageningen Academic Publishers. ISBN 9076998213, 2003, pp.705709. 4. Gao Yuanen ,The Present Situation and Development Trend of Agricultural Machinery Industry in China, Proceedings of International Forum on Development Strategy of Agricultural Equipment and Mechanization in Less Developed Regions, October 15th, 2004, Beijing. 5. Wang Maohua, ICT evolution and Engineering Technology Innovation for Sustainable Agriculture, Proceedings of 2-rd World Engineers Convention, 2-6th Dec. 2004, Shanghai, China. 6. Wang Maohua, The New Advances of Agricultural Mechanization and Equipment Industry in Recent Year in P. R. China, presented at the 3rd Session of the TAC of UNAPCAEM, 13-14 December 2004, Hanoi, Vietnam.
24
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Ванг Маохуа Ведущая лаборатория комплексных исследований современных систем точного земледелия, Китайский сельскохозяйственный университет, КНР СОДЕЙСТВИЕ МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРАКТИКЕ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ В КИТАЕ На пороге нового тысячелетия, китайское сельское хозяйство вступило на новую ступень своего развития. Исчерпывающие возможности сельского хозяйства были значительно расширены; производство зерна преодолело переход от длительной нехватки к общему балансу и даже избытку в годы небывалых урожаев; и проблема снабжения продуктами питания в масштабах всех страны была, в основном, решена. Китай стал самым крупным производителем зерна и мяса в мире. Главнейшими задачами стали совершенствование структуры агропромышленного комплекса, повышение производительности, рост доходов фермеров и улучшение экологической ситуации. Важнейшей задачей стало активное содействие преобразованию традиционного сельского хозяйства в индустриальное, а также создание отраслей агропромышленного комплекса с высоким товарооборотом, с высокой добавленной стоимостью, и высокими доходами в иностранной валюте. Повышение доходов фермеров должно выражаться в переходе от опоры на рост урожаев и цен на расчет на совершенствование структуры сельского хозяйства, в ускорении урбанизации и развитии разнообразной экономической деятельности, особенно не сельскохозяйственной, а промышленной. Следующие 5-15 лет будут ключевым периодом социального и экономического развития Китая, с созданием основания для наследования прошлого и устремлений в будущее. Страна будет плавно стимулировать индустриализацию и урбанизацию для поддержки быстрого роста и устойчивого развития национальной социальной экономики. Содействие механизации сельского хозяйства стало важной движущей силой развития сельского хозяйства и сельской экономики. В июне прошлого года был принят «Государственный закон о стимулировании механизации сельского хозяйства», который вступил в силу с 1 ноября 2004 г. По этому закону все государственные органы, начиная с уровня округов, должны включать пункты о содействии механизации сельского хозяйства в планы национального и социального развития, а также постепенно осуществлять увеличение финансовой поддержки этого развития. Китай начинает новый период, который характеризуется поддержкой сельского хозяйства со стороны промышленности, а развитие сельских районов поддерживается городами. В представленной статье дается обзор настоящего состояния механизации сельского хозяйства Китая и сельскохозяйственного машиностроения, перечисляются проблемы и возможности ускорения дальнейшего развития, а также перспективы расширения международного сотрудничества, обсуждаются некоторые соображения по стимулированию механизации сельского хозяйства и оживлению производства сельскохозяйственного оборудования, которые необходимы для инноваций в системе технологий и управления. Достижения информационных технологий постепенно изменили многие технологии в агропромышленном комплексе. Точное земледелие, как принцип управления в сельском хозяйстве на основе информации и знаний, появилось в Китае в последние 5 лет. В статье дается краткое описание системы методов точного земледелия и инновационных планов по его дальнейшему распространению. Получено 10.05.2005. 25
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. Н. В. Краснощеков, академик Россельхозакадемии, д-р техн. наук, проф. О ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕРНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА РОССИИ Может ли сельское хозяйство России раскрыть потенциал своего продовольственного могущества, «накормить» население с учетом его покупательной способности и стать конкурентной экспортной державой мира? Конечно. Природные возможности, земельные ресурсы этому благоприятствуют. Среди факторов развития, как показывает мировой и национальный опыт, главным, несомненно, является технологический ресурс. Технологии производства сельскохозяйственной продукции являются своеобразным «сборочным цехом» биологических, экономических, технических и т.д. знаний и основой эффективного получения продукции посредством использования машин. По своей сути машинные технологии определяют экономику производства, уровень продуктивности и величину валового производства продукции. Следовательно, глубокое реформирование продовольственного сектора следует начинать с технологической модернизации производства. Об этом заявлено на заседании Государственного совета Российской Федерации в Саратове 30 сентября 2004 г. и высказано в соответствующем поручении Президента Российской Федерации. Россия относится к группе стран, зависимых в продовольственном отношении от зарубежных производителей. Ежегодный импорт продовольствия составляет около $10-12 млрд., что соответствует 25-30% реализуемого в стране. Примерно, на эту же сумму более чем 40 млн. жителей страны вручную производят сельскохозяйственной продукции в приусадебных хозяйствах и на дачных участках. Другую часть потребляемого продовольствия, примерно треть, в России сегодня выращивают машиннотехнологическим методом сельскохозяйственные предприятия – стратегические «кормильцы» страны. Развитие отрасли связано именно с этими товаропроизводителями, и успех их деятельности прежде всего связан с отношением к ним государства, агробизнеса, инновационных процессов и новой кадровой политики. Потери производства сельскохозяйственной продукции в этом секторе за последние 10-12 лет - наивысшие (до 55-60%). Вместе с тем здесь сосредоточены основные земельные ресурсы, трудовой потенциал. Правда, с 1991 года в сельскохозяйственных предприятиях резко уменьшился материально-технический ресурс: почти в десять раз снизился объем применения удобрений, пестицидов, тракторный парк сократился с 1365 тыс. до 580 тыс. штук, зерноуборочных комбайнов с 406 тыс. до 130 тыс. штук, а их техническая готовность к началу полевых работ не превышает 75-80% вместо 92-93% в прежние годы… Сельскохозяйственные предприятия, обладая основными аграрными ресурсами страны, являются главным объектом для преобразования, и с их деятельностью связывается будущее национального продовольственного комплекса. Однако используемые в них экстенсивные методы производства не позволяют сельскому хозяйству обеспечить такие темпы, которые дают возможность удвоить за 10 лет объемы продукции. Среди факторов устойчивого развития, несомненно, главным приоритетом для сельского хозяйства является модернизация технологической сферы производства продукции, связанная с переводом сельскохозяйственных предприятий на новые поколения агротехнологий. 26
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Большая часть предприятий в сельском хозяйстве сегодня в растениеводстве и животноводстве используют экстенсивные методы и, как следствие, их показатели деятельности, например, по урожайности, рентабельности, зависят, в основном, от ландшафтных условий, климата, а урожайность, например, зерновых культур может изменяться в разные годы в 2 и более раза (от 9 до 20 ц/га). Сельскохозяйственные предприятия нового поколения, освоившие интенсивные технологии, менее зависимы от погодных условий. Да и в развитых странах, как бы не изменялись внешние факторы, объемы производства продукции редко отклоняются от средних величин более чем на 10-15 %. Таким образом, технологическая модернизация сельскохозяйственного производства связана со сменой парадигмы развития отрасли. Экстенсивные методы ведения производства, основанные на природноресурсном потенциале, заменяются интенсивными процессами, высокими технологиями, базирующимися на знаниях в области эффективного производства продукции и стимулировании труда, новой техники и кадровой политики, агробизнеса и инвестиций, как результат достижений науки, передового опыта хозяйств в различных регионах страны, а также мирового опыта. Высокий экономический и социальный результат от освоения эффективных технологий демонстрируют сегодня многие предприятия в различных регионах страны. Например, интенсивные технологии ведения агробизнеса в хозяйстве «Орбита» Омской области (Шнайдер В.Д.) за 10 лет стабилизировали урожаи зерновых в засушливой степи Западной Сибири на уровне 21-22 ц/га – на 7-8 ц/га выше предыдущего десятилетия. Причем, даже в годы с засухой урожаи получают не ниже 15 ц/га, при 3-5 ц/га в прежние времена. Каждый механизатор здесь выращивает и убирает урожай на площади в 1000 га посевов пшеницы, гороха, рапса, кукурузы на зерно (последняя - с урожаем в 60ц/га) или производит более 2000 т зерна. Такая производительность, сопоставимая с высшими мировыми достижениями, обеспечивает хозяйству рентабельность на уровне 190-220% и, как следствие, решение многих социальных проблем села, формирования классных кадров, технического обновления производства и т.д. В области животноводства высокие результаты технологической модернизации демонстрирует АО «Ирмень» Новосибирской области (молочное животноводство), где на ферме в 2100 коров при продуктивности более 7 т на голову ежегодно получают рентабельность около 60%. Высокие достижения от технологической модернизации есть в каждом регионе страны. Решение Президиума Государственного Совета Российской Федерации (Саратов, 30 сентября 2004 г.) дает сельскому хозяйству страны шанс: на базе глубоких технологических преобразований, используя отечественные знания науки и техники, передовой опыт хозяйств страны и мирового фермерского производства, обеспечить потребности страны в продовольствии, сделать отрасль экспортноспособной. Первичная цель технологического реформирования состоит в достижении таких темпов роста продукции, которые позволяют удвоить к 2012-2013 гг. валовое производство отрасли. Количественно это выражается в достижении основным технологическим сектором сельского хозяйства следующих объемов производства.
27
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. Таблица 1 Параметры производства продукции сельскохозяйственными предприятиями для удвоения валового объема сельского хозяйства № п/п 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2 2.1 2.2 2.3 2.4
Наименование продукции Производство продукции растениеводства: Зерно (после доработки) Сахарная свекла (фабричная) Льноволокно, тыс. т. Картофель Овощи Производство продукции животноводства: Скота и птицы (в живой массе) Молоко Яйцо Шерсть, тыс. т.
Объемы производства, млн.т прогноз факт факт 2012-2013 гг 1990 г. 2003 г. 105-110 30-35 70-72 9,0-9,5 6,0-6,5
116,7 32,3 71,0 10,5 7,2
67,2 19,4 55,0 2,1 2,4
10,0-10,5 40,0-41,0 35-37 60-65
11,9 42,5 37,2 171,2
3,3 15,4 26,7 14,2
Объем производства продукции предприятиями сельского хозяйства в 2004 году по оценочным данным составил 704,6 млрд. руб. При расчете в ценах 2004 г. объемы производства продукции сельхозпредприятиями в 2012-2013 гг. по прогнозам табл. 1 могут составить около 1,4-1,5 трлн. руб. На долю ЛПХ принимается объем примерно в 700-750 млрд. руб. при прогнозируемом производстве в 2004 году 763,4 млрд. руб. В сумме валовой объем производства может достичь к контрольному сроку 2,2-2,3 трлн. руб. в год при 1,468 трлн. руб. в 2004 г. (оценочные параметры). Сегодняшняя технологическая база сельского хозяйства не позволяет интенсивно развиваться производству и рассчитана на экстенсивное использование ресурсов. Утроение мирового производства сельскохозяйственной продукции в двадцатом столетии связано с технологической революцией в агрокомплексах ведущих мировых держав, обеспечивших рост продуктивности пашни на примере зерновых культур до 60-70 ц/га (при 15-20 ц/га на этапе экстенсивного развития в 40-50 годах прошлого столетия). Обеспечена средняя мировая урожайность зерновых 28-29 ц/га, которая практически стабильна по годам за последние десять лет. Суть технологической революции – в системном использовании знаний интенсивного получения продукции. Агротехнологии - это синтез биологических, технических, экономических и социальных факторов агробизнеса. Применительно к технологической модернизации отечественного сельского хозяйства параметры агротехнологий и комплексного воздействия их на производство можно выразить схемой, приведенной в табл. 2.
28
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Таблица 2 Качественные характеристики агротехнологий растениеводства (п.п. 1-8 по В.И.Кирюшину) № п/п 1 2
3
4
5
6
7
8
9
10
Типы технологий, их параметры по использованию знаний ЭкстенНормальные Интенсивные Высокие сивные Сорта Толерант- Пластичные Интенсивные С заданными паные раметрами КУ>0,6, пло- КУ>0,8 Плоские Различной УмеренноПочвенносложные по ские ЭАА и ЭАА, однородсложноландшафтные ные ПК. Совреоб- пятнистости. сти, «на- данным условия менный этап Современный следования родная» этап обследо- проектирования информа- Гипроземов технологий по ваний ция ГИС Удобрения Практиче- ПоддержиПрограммиро- Информационски отсут- вающие дозы, ванные ные по фазам ствуют стартерные урожая Защита расте- Пассивная ЭпизодичеИнтегрирован- Комбинированний или отсут- ская ная по порогу ная биологоствует вредности химическая Обработка Система ПочвозащитДифференциОптимизированпочвы отвальной ная рованная, ми- ная по проекту вспашки нимальная, в т.ч. нулевая Качество про- Неопреде- Неустойчиво- Отвечает тре- Сбалансировандукции ленное от удовлетворит., бованиям рын- ное по компоусловий слабоуправка, условно нентам, управгода ляемое управляемое ляемое ЗемлеоценочПочвенПочвенные ПочвенноГеоинфрмационная основа ные карты карты 1:10000 ландшафтные ные системы 1:25000 карты Экологический Активная Точечная де- Риск загрязне- Минимальный риск деградаградация почв ния риск, управляеция почв мый Техника 1-2 поко- 3 поколения 4 поколения, Адаптируемая, ления многофункинформационноциональная, ориентированная высокоэнерго- по космомонитонасыщенная рингу По технологи- Крупногруппо- Управление агреМашиноисНеуправпользование ляемое по ческим картам вое по опера- гатом в соответспособно- под контролем ционным тех- ствии с потребнологиям ностями растести меха- агронома низатора ний и почвы Основные показатели
29
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
№ Основные п/п показатели 11 Подготовка кадров: механизаторов
12
Экономическая результативность
13
Отношение к инвестициям
14.
Отношение к агробизнесу
30
Продолжение табл. 2 Типы технологий, их параметры по использованию знаний Экстенсивные Нормальные Интенсивные Высокие Традиционная Базовая стан- Опыт не менее 5 Механизатор подготовка, в дартная подго- лет, аттестация высокого через на исполнение класса со стат.ч. в хозяйстве товка в по методу на- проф. образо- ИТ. Подготовка жировкой хопо новым про- базовом вание то же ставничества. граммам вузов с зяйстве, серБазовая подготификат ВТ. получением товка по просертификата ТИ Подготовка по граммам вузов, новым протехникумов, граммам + госпециалистдичная агропрактик ординатура в базовом хозяйстве ВТ или за рубежом, сертификат ВТ Зависимость от РентабельСтабильная То же с выхоклимат. усло- ность опреде- рентабельность дом на зарувий и рынка, ляется качест- на уровне само- бежный рынок нестабильная вом работы по достаточного инвестироварентабельность упр. издерж- развития ния для агро+/ками произинтеграции водства Устойчивая Потребность в Экономическая Самодостакредитозавиинвестициях в самодостаточточное развисимость, в т.ч. неблагоприят- ность. Инвести- тие со стаб. сезонная ные годы и на ции на крупные фондом. Возновые проекты проекты можность инвестирования внешних проектов Высокориско- СреднерискоБизнес с низким Бизнес с высоким рейтингом вый вый, устойчи- риском во прибыльный при высокой производительности труда (>300 га на механизатора)
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Продолжение табл. 2 № Основные Типы технологий, их параметры по использованию знаний п/п показатели Экстенсив- НормальИнтенсивные Высокие ные ные Основной Потребность в про- Взаимодействие с 15. Отношения Высокая отечественными и ектносо сферой потребность потребитехнологи- в сфере ус- тель услуг консультационных зарубежными научными организауслугах риск МТС ческих ус- луг, циями, вузами в оплат луг развитии знаний, подготовке кадров. Потребность в сервисе зарубежн. техники Примечание: КУ – коэффициент увлажнения; ЭАА – элементарный ареал агроландшафта; ПК – почвенный комплекс; ИТ – интенсивные технологии; ВТ – высокие технологии. В ближайшие 10-20 лет в сельском хозяйстве России будут использоваться три типа технологий – нормальные, интенсивные, высокие. Некоторое время возможно применение и экстенсивных методов производства. Площадь возделывания (посевной клин) сельскохозяйственных культур будет стабилизирована на уровне 95-100 млн. га. Интенсивные и высокие технологии по своим конечным результатам отличаются от экстенсивных, прежде всего, более эффективным использованием ресурсов. Например, самый главный ограничительный фактор интенсификации для основных сельскохозяйственных зон страны – коэффициент полезного использования почвенной влаги – повышается почти в два раза при интенсивных агротехнологиях: при экстенсивных методах производства расходуется атмосферных осадков на центнер зерна 20 мм и более, при интенсивных – всего 7-10 мм и менее. Интенсивные технологии повышают отдачу каждого кг д.в. минеральных удобрений с 2-4 кг зерна (показатель для экстенсивного земледелия) до 6-8 кг зерна. Производительность труда возрастает с 3-5 чел.-ч на тонну зерна до 0,8-0,9 чел.–ч на тонну и т.д. Технологически возможно обеспечить себестоимость производства одного кг, например, зерна – 0,5-0,6 руб., молока – 2,0-2,5 руб., мяса птицы – менее 8-10 руб. и т.д., обеспечивая высокую рентабельность хозяйствам. Опыт применения интенсивных методов производства по данным науки и передовой практики демонстрирует и высокую отдачу новых технологий по показателю урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности животных. Оптимальный уровень урожайности интенсивных технологий 50-60 ц. зерна с гектара при 20-22 ц./га - при экстенсивных. Вполне реально на Северном Кавказе получить на круг по 55-65 ц к.е. растениеводческой продукции. В большей части Черноземной зоны – по 40-45 ц к.е. с гектара. Такие же параметры реально достичь и в Нечерноземной полосе страны. Степные районы способны дать по 20-25 ц качественного зерна, в основном, на модернизированных нормальных технологиях. Новые технологии – главный, если не единственный, путь достижения самодостаточной экономики сельскохозяйственных предприятий, основной фактор экономии производственных издержек и управления качеством продукции. 31
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. Чтобы обеспечить сельскому хозяйству новый технологический уровень, прежде всего, нужно осуществить, как нам кажется, следующий комплекс мер. Во-первых, следует разработать и принять следующие правовые документы: • Федеральный закон «О технологической модернизации сельскохозяйственного производства», в котором должны быть определены меры, объемы и порядок экономического стимулирования сельского хозяйства для эффективного освоения высокорентабельных технологий производства продукции, регламент безопасности ведения производства на новых технологических принципах, меры морального стимулирования работников сельского хозяйства и его инфраструктурных отраслей – участников процесса, в том числе стимулирование инвестиций и инноваций в отрасль, развитие агробизнеса и др. • Федеральную целевую программу «Технологическая модернизация сельского хозяйства» для определения приоритетных направлений участия федерального бюджета в проектах создания новых технологий, техники, сортов растений и пород животных, а также материалов, препаратов для агротехнологий, развития инноваций в мелиорации, землеустройстве, применении удобрений и защите биологических объектов от болезней и вредителей. • Нормативные документы в субъектах Российской Федерации с целью стимулирования развития процессов технологизации в ландшафтных условиях региона. • Регламенты экономического стимулирования преобразований. На начальном этапе освоения интенсивных и высоких технологий потребуются повышенные затраты хозяйств на реконструкцию производства, поэтому следует предусмотреть участие бюджетов на федеральном и региональном уровнях для субсидированного кредитования участников процесса. Эти затраты будут связаны прежде всего: - с техническим обновлением производства; - с оплатой услуг по технологическому проектированию предприятий; - приобретением семян новых сортов и племенного скота и птицы. На эти цели из федерального бюджета потребуется направить до 30-40 млрд. рублей на компенсацию процентной ставки кредиторов и на субсидирование стоимости некоторых материальных ресурсов, проектных работ и консультативных услуг. Имеется в виду, что проектом Федерального Закона «О развитии сельского хозяйства» предусмотрено экономическое стимулирование ряда процессов, связанных с технологическими преобразованиями, в том числе субсидирование части затрат на приобретение удобрений, пестицидов, моторного топлива, семян высших репродукций, племмолодняка и других. Целесообразно не менее 50% средств, предусматриваемых ежегодно Федеральным бюджетом по статье «Сельское хозяйство», направлять на технологическую модернизацию села. То же следует предпринять и в регионах. При этом доля сельского хозяйства в Федеральном бюджете должна быть увеличена до 5-10%, как это было в 1995-1997 годах, вместо 0,8-0,9% в настоящее время. Особое место в системе мер по технологическому переустройству сельского хозяйства отводится обогащению руководителей, специалистов и рабочих сельскохозяйственных предприятий технологическими знаниями, подготовке и переподготовке кадров, их информационному обеспечению. Анализ качественного состава руководителей и специалистов сельскохозяйственных предприятий показывает их невысокую подготовленность к новым процессам на селе. Более 30% специалистов не имеют высшего образования, судя по выписывае32
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. мой литературе, мало интересуются новыми знаниями в сельскохозяйственных отраслях. Рассчитывать на успех при проведении технологических преобразований с такими кадрами не приходится. В сложившихся условиях следует сформировать новую форму услуг знаний на селе: систему технологического аудита и разработки проектов технологической модернизации производства продукции в предприятиях отрасли, что успешно осуществляется в ряде отраслей страны. При создании проектно-технологических организаций целесообразно использовать кадровый потенциал лучших комплексных научно-исследовательских учреждений и сельскохозяйственных вузов страны, используя их опыт и нормативнотехнологические разработки. Этот вид услуг, естественно, выполняется по договорам с хозяйствами. Часть затрат на разработку типовых, базовых проектов было бы целесообразно компенсировать из средств Федерального бюджета, выделяемых Минсельхозу России. Именно по этой схеме участвуют в таких процессах многие страны по программам Extension service. Привязка типовых проектов к конкретным условиям деятельности сельхозпредприятий региона частично, например, на 50% финансируется из бюджета субъекта Российской Федерации. В процессе проектирования исследуется деятельность предприятия (технологический аудит) и предлагаются оптимальные меры технологического переустройства производства, рассчитываются необходимые материально-технические, финансовые ресурсы, экономическая результативность технологической модернизации, оказываются консультативные услуги в ходе освоения нововведений. Участие государства в субсидировании затрат на материально-технические ресурсы, в приобретении техники и племенного скота по государственному лизингу, а также предоставление льготных кредитов с участием бюджетов необходимо поставить в зависимость от наличия проектов технологической модернизации предприятия. То же следует рекомендовать и банкам при выдаче кредитов, организации агробизнеса и т.д. Считается, что успехи западных фермеров в интенсификации сельского хозяйства объясняются их высоким профессиональным уровнем, заинтересованным заимствованием опыта лучших соседних хозяйств, востребованностью достижений науки и техники. На этом они никогда не экономят, тем более, государство в области знаний им всегда помогает, субсидируя в значительном размере затраты на технологическое и техническое усовершенствование производства. В сельском хозяйстве России за технологический уровень производства отвечают специалисты с высшим образованием: в растениеводстве – ученый агроном, в животноводстве – зооинженер. В учебных программах их подготовки в вузах раздел «Технология производства» представлен слабо. Тем более, нет серьезной практики по отработке навыков производства продуктов на всем цикле с учетом высоких знаний этого процесса. Поэтому недоученного специалиста, по редкому исключению оказавшегося в сельскохозяйственном предприятии, практики легко доводят до уровня народных технологий. Учитывая, что проблема технологической модернизации сельского хозяйства есть не временная, а стратегическая цель его развития, представляется необходимым скорректировать образовательный процесс для новых целей развития села. В новых условиях очевидна востребованность в специалистах новой формации: технолог – менеджер растениеводства, профессионал по производству продукции растениеводства при конкурентном рынке продовольствия, технолог – менеджер животноводства, специалист по производству животноводческой продукции. 33
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. Специалисты для интенсивных и высоких технологий, думается, должны обучаться по программе магистрата в группах, где студенты уже после бакалавриата знают место своей будущей работы, конкретное хозяйство. Лучше, если они вооружены проектом модернизации предприятия, что станет индивидуальной программой подготовки специалиста. Важно и участие студента в работе проектной организации, профильного научного учреждения. Один из двух лет магистратуры или иной период времени будущий специалист высоких технологий производства проходит обучение – стажировку – в одном из базовых хозяйств вуза с сертификатом ВТ – хозяйство высоких технологий и организации труда. В итоге такой специалист защищает проект по модернизации предприятия с получением степени магистра агротехнологий, что может быть приравнено к ученой степени кандидата наук. Сертификат на право безопасного производства сельхозпродукции по новым технологиям молодой специалист получает в установленном порядке через 2-3 года работы в хозяйстве. Такая подготовка целевого специалиста сельского хозяйства, а не вообще специалиста для других отраслей экономики, куда после окончания сельхозвуза уходит более 90% выпускников, должна стимулироваться государством высокой стипендией, а хозяйством – заказчиком специалиста нового типа – доплатами и созданием лучших бытовых условий в хозяйстве. Нуждается в углублении и подготовка кадров массовых профессий для села и, прежде всего механизаторов, направляемых для работы на новой технике для интенсивных и высоких технологий. Как правило, подбор кадров для этой работы следует осуществлять на конкурсной основе с последующей стажировкой в базовом хозяйстве типа ИТ или ВТ. Для работы на зарубежной технике иностранные фирмы практикуют стажировку за рубежом. Качество проведения и результат технологической реформы в своей основе определится уровнем интереса руководителей и специалистов хозяйства в технологических преобразованиях. Представляется необходимым проведение следующих комплексных мероприятий для управления этим процессом. ● Первое – усиление информационного воздействия на руководителей и специалистов сельхозпредприятий о высокой эффективности технологической модернизации производства. Приоритет в этих действиях отводится распространению и изучению опыта передовых хозяйств страны, субъектов России и достижений науки и мировых знаний. С этой целью: - подготовить необходимые издания с обобщением опыта передовых хозяйств, достигших на базе технологической модернизации высоких результатов в экономическом и социальном развитии, материализованных в благополучие работников хозяйства; - разработать и осуществить программу семинаров, курсов переподготовки работников предприятий по изучению опыта лучших хозяйств, достижений науки с показом демонстрационных опытов результативности интенсивных и высоких технологий. Как показывает опыт 80-х годов прошлого столетия, именно информационная атака при освоении интенсивных технологий при непосредственном участии в этом процессе исполнительной власти оказывала наибольшее позитивное воздействие на формирование интереса руководителей и специалистов к технологическим преобразованиям. ● Второе – материальные стимулы к проведению технологических преобразований содержатся в рыночных отношениях и в экономической результативности ре34
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. форм. Этот важный фактор заинтересованности должен раскрываться в проектах технологического обустройства предприятия. ● Третье – имеется глубокая обоснованность вовлечения в процесс различных методов морального стимулирования руководителей, специалистов и рабочих сельскохозяйственных предприятий, успешно проводивших технологическую реформу. Думается, следует разработать специальное Положение о системе морального стимулирования в сельском хозяйстве, определив показатели присуждения (присвоения) заслуженных званий, наград, дипломов, именных премий и других поощрений в связи с успешной деятельностью работников отрасли и ее инфраструктурных предприятий по преобразованию сельского хозяйства. Важнейший фактор – формирование машинно-тракторного парка нового типа. Структурно парк машин для различных групп технологий должен претерпеть существенную модернизацию, прежде всего для гарантированного увеличения уровня технической надежности. При этом агрегат без поломок должен устойчиво работать в продолжение основного сельскохозяйственного цикла (сезона). Низкая надежность отечественных машин (нередко до 15-20 ч на отказ) – основная проблема отечественного сельскохозяйственного машиностроения. В новом парке машин однооперационные агрегаты должны быть заменены многофункциональными, универсально-комбинированными, способными адаптироваться к изменяющимся условиям производства сельскохозяйственной продукции путем быстрой смены рабочих органов. Такой подход позволяет сократить количество машин для производства, например зерна, с 20-30 наименований до 5-6. Для полного цикла выращивания и уборки зерна по интенсивной технологии будут нужны лишь базовый универсальный трактор, зерноуборочный комбайн, универсальное адаптируемое почвообрабатывающее орудие, адаптирующийся посевной почвообрабатывающий агрегат и опрыскиватель. При этом в 1,5-2 раза снижаются капиталовложения. Применяемый парк машин непосредственно влияет на решение проблемы повышения производительности труда в сельском хозяйстве. Известно, что производительность труда как величина продукции, производимой одним работником за единицу времени, при машинном производстве определяется, не в последнюю очередь, параметрами техники. Для России фактор производительности труда имеет решающее значение, поскольку низкая величина этого параметра делает неконкурентной всю отрасль. Повышение производительности труда вызвано и кадровыми ограничениями. В настоящее время в сельском хозяйстве управлением тракторами и самоходными машинами занято на постоянной основе немногим более 700 тыс. человек. Дополнительно привлекается еще 600 тыс. сезонных механизаторов. Достаточную профессиональную подготовку имеют только 250-300 тыс. постоянных работников. Новый парк техники для сельского хозяйства России следует формировать, исходя из ограниченных трудовых ресурсов отрасли. Нынешняя система машин, используемая в коллективном сельском хозяйстве России, рассчитана на усредненную мощность тракторов около 70-80 л.с. В новом парке, с учетом высоких ограничений в квалифицированных кадрах, в высокотоварных хозяйствах она достигает 170-180 л.с. Главный стратегический ресурс повышения производительности труда, который будет формировать рынок техники в будущем – увеличение энерговооруженности труда и энергообеспеченности гектара пашни. За счет реализации этой Стратегии возможно оптимизировать парк тракторов России на уровне 35
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. 0,95-1,1 млн. шт. Снижение количества машин в парке должно компенсироваться существенным увеличением мощностей сельскохозяйственных агрегатов. Основной объем энергоемких работ будет выполняться тракторами класса 6-7 мощностью 420-450 л.с. При возделывании пропашных культур и на общих работах в зонах с небольшими полями севооборотов больше всего будут востребованы тракторы класса 3-4 с двигателями в 210-240 л.с. Увеличится и мощность тракторов класса 1.4, но их потребность будет ограничиваться, в основном, работами в животноводстве и при производстве кормов. Будет востребован и трактор класса 2 с мощностью двигателя до 150-180 л.с. При этом будущая суммарная мощность тракторного парка России оценивается примерно в 230 млн. л.с., а средняя мощность трактора в парке – 180-200 л.с., вместо 80 л.с. в существующем парке машин. В 2004 г. уборку зерновых культур в России выполняли примерно 150 тыс. изношенных комбайнов. Опыт 2003 г. и предшествующих лет позволяет скорректировать существующие представления о парке зерноуборочных комбайнов. Если оснастить сельское хозяйство России новыми типами комбайнов повышенной пропускной способности и высокой технической надежности (с наработкой на отказ до 100-150 ч и выше), вполне возможно парк зерноуборочных комбайнов стабилизировать в перспективе на уровне 250-300 тыс. шт. При таком количественном составе имеется возможность передать их в управление квалифицированным механизаторам. На рынке комбайнов наиболее запрашиваемыми будут комбайны пропускной способностью 9-10 кг/с с двигателем мощностью до 250 л.с. Емкость отечественного рынка этих машин оценивается в 90-120 тыс.шт. Примерно в 90 тыс. шт. оценивается парк комбайнов пропускной способностью 5-6 кг/с с двигателем мощностью порядка 180 л.с. Прогнозируется востребованность на рынке безмоторного варианта такого комбайна (до 25-30% от общего количества, как правило, для хозяйств с невысоким экономическим потенциалом). До 30 тысяч комбайнов в парке будут машины более низкой или более высокой пропускной способности. Общая мощность зерноуборочных комбайнов составит около 60 млн.л.с. Парк кормоуборочных комбайнов нового поколения оценивается в 50 тыс. шт., в т.ч. половина из них – самоходные, суммарной мощностью около 9 млн. л.с. Общая мощность перспективного парка энергетических машин для сельского хозяйства оценивается в 300 млн.л.с. (без автомобильного парка и специальных машин), что энергетически обеспечивает каждый гектар пашни мощностью около 3 л.с. Таким образом, в перспективе (на ближайшие, по крайней мере, 10 лет) техническая политика на рынке сельскохозяйственной техники будет формироваться: - потребностью технологического преобразования сельскохозяйственного производства у товаропроизводителей с различными параметрами этого производства (ландшафты, доходность и т.п.); - под три типа технологий производства (простые, интенсивные и высокие), обеспечивающих различный уровень рентабельности хозяйств, с учетом трудовых ресурсов, имеющихся в сельскохозяйственном производстве, (прежде всего, уровня их квалификации). На современном этапе ведущие страны в области сельского хозяйства мотивируют новый рост уровня производительности труда в сельском хозяйстве глобализацией экономики, с мировым разделением труда и дополнительными вложениями в науку 36
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. и технику. Россия должна быть вовлечена в процесс глобализации формированием общего рынка сельхозтехники на приемлемых для страны условиях. В прогнозах развития сельскохозяйственной техники выделяется несколько этапов. П е р в ы й э т а п ( 2 - 3 г о д а ) включает ближайшие действия по улучшению технической оснащенности сельскохозяйственного производства. На этом этапе не произойдет крупных изменений в структуре производства сельскохозяйственной техники. В основном, будут применяться машины существующих конструкций, но которые должны быть экстренно модернизированы в целях улучшения качества их изготовления и повышения надежности. Для этого на отечественных машиностроительных предприятиях следует ввести систему контроля качества продукции, охватывающую все этапы производства техники от конструирования и модернизации до использования в сельском хозяйстве. Такая техника должна быть конкурентоспособной по ценовым характеристикам на отечественном рынке и обеспечивать поддержание уровня механизации сельского хозяйства, в основном, в хозяйствах с низкой экономикой производства продукции. Реализация этих мер по мобильной энергетике, зерноуборочным комбайнам и почвообрабатывающим комплексам позволит использовать влаго-, почво- и энергосберегающие технологии производства зерновых и других культур в зональных севооборотах. Основной задачей этих лет должно быть резкое ускорение научноисследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию принципиально новой техники отечественного производства, предусмотренной Федеральной системой технологий и машин, и перечнем приоритетной техники, утвержденным Минпромнауки России и Минсельхозом России на 2004-2008 гг. Этот этап является периодом ускоренной подготовки интенсификации отрасли. В т о р о й э т а п ( 2 0 0 6 - 2 0 0 8 г г . ) – начало производства п р и о р и т е т н о й т е х н и к и для сельского хозяйства на отечественных предприятиях. Он будет проходить параллельно с производством техники предыдущего поколения. В связи с более высокой стоимостью новых машин, но и с более высокой их технологической надежностью и производительностью, они вначале будут приобретаться предприятиями с высоким уровнем доходности, а также предприятиями, в том числе и машинно-технологическими станциями (МТС), создаваемыми или поддерживаемыми отечественными и зарубежными инвесторами. Можно отметить несколько отличительных этапов в реализации программы технологического реформирования аграрного производства. На первом этапе (подготовительном) – 2005-2007 гг. – осуществляется разработка нормативной и информационной базы технологической реформы. Определяются правовые основы действий, объемы и источники инвестиций, методы стимулирования агробизнеса и др. В этот период выполняются меры по подготовке материалов для широкого информирования руководителей и специалистов сельского хозяйства и участников процесса из предприятий инфраструктуры необходимыми знаниями, опытом передовых хозяйств страны и зарубежной практики. Ведется активная работа по развитию отраслей, обеспечивающих материально-техническими ресурсами освоение нового поколения агротехнологий в растениеводстве и животноводстве. Вместе с тем, наряду с подготовительными мерами, осуществляется точечное освоение новых форм производства в тех хозяйствах, которые располагают необходимыми ресурсами и желанием руководителей в регионах. Этот первый опыт освоения 37
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. будет особо ценен для позитивного настроя участников последующих этапов технологической реформы. Список реформируемых хозяйств формируется в регионах и широко рекламируется и стимулируется. На втором этапе (начало массового процесса) – 2007-2008 гг. – должна заработать проектно-технологическая служба сельского хозяйства, система подготовки и переподготовки кадров и информационного обеспечения, сформирован определенный финансовый потенциал, а также созданы и освоены производством первоочередные образцы техники нового поколения и технологические адаптеры и т.д. В регионах будет определена группа предприятий (в зависимости от уровня подготовленности региона), в которых начаты процессы реформирования. Третий этап – рассчитанный на основную массу сельхозпредприятий - выйдет за рамки 2010 года и потребует наиболее глубокого проникновения в проблему исполнительных властей и агробизнеса. Естественно, никаких директивных планов «коллективизации» не должно быть. Технологическая модернизация – это решение собственно работников сельскохозяйственного предприятия, их шанс выжить в сложной конкурентной борьбе, думается, уже с приходом в ВТО. Прогнозируется, что весь процесс технологических преобразований может занять не менее 10-15 лет и через него пройдет, по меньшей мере, 70-75% сельскохозяйственных предприятий. Важно, что сельское хозяйство простимулирует подобные действия и в инфраструктурной среде, особенно в ее отстающих отраслях - сельхозмашиностроении, агрохимической промышленности, альтернативной энергетике (и прежде всего, в производстве биологических видов моторного топлива), в сфере производственно-технологических услуг и т.д. Технологическая модернизация сельского хозяйства будет осуществляться при неудовлетворительном финансовом состоянии сельскохозяйственных предприятий на фоне долгов более чем в 300 млрд.рублей. Естественно, на первом этапе к реформе будут экономически лучше подготовлены хозяйства, не обремененные долгами. Следовало бы продолжить начатые ранее действия по списанию долгов с сельского хозяйства. Собственных средств у предприятий не будет хватать, поскольку потребуются повышенные затраты на техническое обновление, приобретение семян и животных, удобрений и других технологических и энергетических материалов, оплату услугзнаний, подготовку кадров и др. Без частичного участия в финансировании этих затрат бюджетов разного уровня и бизнес-инвесторов не обойтись. В середине 90-х годов сельскому хозяйству из Федерального бюджета выделялось до $9 млрд., в текущем немного более $1 млрд.. Расчеты показывают, что на начальных этапах реформы затраты Федерального бюджета в виде субсидий следовало бы увеличить до 50-60 млрд. руб. в 2006-2007 гг. и до 80-100 млрд. руб. в год в последующие периоды. Эти расходы связаны с субсидированием кредитов для сельхозпредприятий, предприятий сельхозмашиностроения, организаций сферы лизинга техники, субсидий на проектные, опытно-конструкторские и исследовательские работы, а также компенсацию части стоимости удобрений, моторного топлива, новой техники, семян высших репродукций и племскота и др. Примерно в сопоставимом объеме с Федеральным бюджетом финансовую поддержку реформе могли бы оказать бюджеты субъектов Российской Федерации, как это делается в некоторых регионах в настоящее время. 38
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Государство будет стимулировать вовлечение в сельское хозяйство инвестиций отечественного и зарубежного бизнеса. К 2015 г. годовой валовой сельскохозяйственный продукт за счет освоения новых технологий и техники может увеличиться до 2,6-2,8 трлн. руб., в том числе доля реформированных сельскохозяйственных предприятий в нем может достичь 1,9-2,0 трлн. руб. при стоимости продукции растениеводства около 1,2-1,3 трлн. руб. Расчетная себестоимость производства этой продукции оценивается, примерно в 950-1150 млрд. руб., из них продукции растениеводства – 600-650 млрд. руб. Прогнозируется, что за счет снижения издержек на базе резкого увеличения продуктивности в растениеводстве, повышения производительности труда технологическая реформа может обеспечить сельскому хозяйству экономический эффект до 450 млрд.руб. Производство зерна при этом после 2015 г. оценивается в объеме 150-160 млн. т в год, из которых до 20-30 млн.т. можно экспортировать на сумму около $3 млрд. В животноводстве при рентабельности отрасли около 15-20% и его доли в валовой продукции сельского хозяйства до 40% (за вычетом стоимости кормов) можно получить примерно 160 млрд.руб. расчетной прибыли. В том числе следует отметить и высокий эффект от снижения потерь растениеводческой продукции, которые на уборке урожая, из-за превышения норм высева, игнорирования минимальных почвообработок, неэффективного применения удобрений и пестицидов, потери кормов и перерасхода моторного топлива и т.д. оцениваются почти в 150 млрд. рублей. Получено 25.05.2005.
N.V.Krasnoschekov, Academician of the Russian Academy of Agricultural Sciences Moscow, Russia TECHNOLOGICAL MODERNIZATION OF AGRICULTURAL PRODUCTION IN RUSSIA Summary The paper deals with the some aspects of modernization of the Russian agricultural production. The urgency of transfer from extensive farming, based on natural and resource potentials, to intensive, high-tech methods based on up-to-date knowledge of best available farming practices, new machines and equipment, team motivation and training, is substantiated. The key parameters of regular, intensive and high-tech farming techniques are compared. The basic specific features of intensive and high technologies are sited. A number of legislative acts to be adopted to ensure the high technological level of agricultural production are suggested, and financial aspects of technological modernization are considered. Great attention should be paid to the manpower education and training, higher agrarian educational establishments included, as well as the more efficient use of currently functioning research and design centers potential. The role of information resources (various editions, seminars, training courses, demonstration activities, etc.) and of material and moral incentives to stimulate the technological reforms in farming is stated. The trends and forecasts in designing and introduction of agricultural machines and equipment are outlined. All the statements are illustrated by statistical data. 39
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Bill A. Stout Biological and Agricultural Engineering Department Texas A&M University College Station, Texas, USA 77843-2117;
[email protected] Karl Th. Renius Faculty of Mechanical Engineering Technical University of Munich Garching, Germany
[email protected] John K. Schueller Mechanical Engineering Department University of Florida Gainesville, Florida, USA 32611-6300;
[email protected] THE AGRICULTURAL EQUIPMENT INDUSTRY AND ITS PROMOTION IN LESS DEVELOPED COUNTRIES ABSTRACT Agricultural mechanization is a reality! Hand tools, animal draft implements and tractors are used in every country. Agricultural/mechanical engineers are needed to design efficient equipment or to select the right size and type of machines for local conditions. The global agricultural equipment industry is discussed along with its joint ventures and other collaborative efforts with manufacturers in various countries. Some principles of global tractor development are presented. Five technology levels are defined in terms of engine power, type of transmission, hydraulic and electronic systems and so on. A section on reduction of manufacturing costs is included with emphasis on the systems approach bringing together many types of expertise to accelerate engineering developments and reduce costs. The critical need for well-educated practical agricultural/mechanical engineers is emphasized. This type of expertise is being lost in many universities in the USA and other parts of the world. Don’t let this happen in Russia! Finally, the need for agricultural/mechanical engineers to work as key members of interdisciplinary teams is discussed. Too often we focus too much on micro-studies and fail to look at the big picture—i.e. key issues facing agriculture such as feeding a growing world population, improving income distribution so that all people will have the purchasing power to afford a balanced and nutritious diet, natural resource conservation and management, maintaining the environment including water and air quality, and so on. Agricultural mechanization must be considered in the context of these broader issues. INTRODUCTION Effective crop production requires machines---hand tools, animal-drawn implements and engine-powered equipment. In this paper the focus is on tractors and associated equipment. One might ask—why mechanize? Many less developed countries have abundant cheap labor or so it seems when looking at national statistics. But a closer look reveals labor shortages at key times such as during land preparation or harvesting. Timeliness is a key factor in agricultural production and mechanization may be necessary to prepare the land for seeding before the rains come or for rapid tillage in multiple cropping systems (for examples, see Stout and Downing, 1974). Selective mechanization is an old term used to describe an approach to mechanization that is compatible with the national goals of development while maintaining high levels of employment. If a higher level of living for all the people is sought, does this not require increased production per person? Is the goal to maintain employment for 40
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
all people who are able to work? Even at a near starvation level? Or is there some optimum allocation of jobs allowing some unemployment where production and individual income and thus the level of living is maximized for the greatest number of people? Stout and associates have been involved in these debates for over 40 years. In an article by Stout and Downing (1975) in the FAO magazine, CERES, we debated the above questions. We pointed out that the prerequisites for successful mechanization schemes were and are quite well known, but that too often one or more critical elements is overlooked or ignored, leading to a predictable failure. We concluded. “Mechanization is a reality. It is not just an academic theory or a vague concept. It is being used in every country of the world. Let’s resolve to use mechanization to its full advantage as one input to optimize agricultural production and food delivery systems.” In another article (Stout and Downing, 1974A) published in Shin-Norinsha Publishing Company’s journal, Agricultural Mechanization in Asia, we argued that selective mechanization is a “hope” for farmers in less developed countries. Migration from rural areas to the cities in search of jobs is a well-known problem afflicting many if not most less developed countries. Motives for this migration (rural to urban) are a complex mixture of urban “pull”, the attraction of higher wages, social, cultural, and educational activities and the glamour of towns; and the rural “push”, the desire to escape from a stagnation that offers only heavy, unrewarding jobs in an atmosphere of little hope. We suggested that the lack of employment opportunities in rural areas, low pay for agricultural work, the seasonal nature and drudgery of agricultural employment, and the unattractiveness of rural living under existing conditions all contributee to this urban drift. We went on to say, “Selective mechanization of an appropriate type, used under carefully selected conditions, can provide hope for agricultural workers. Selective mechanization can thus provide a “counter-pull” to resist the attraction to the city.” More recently, Clarke and Bishop (2002) wrote, “The availability of power is a prerequisite for any agricultural activity whether the source is human, animal or motorized. In developed country agriculture the general availability of virtually unlimited amounts of farm power in its different forms is almost taken for granted and comes almost exclusively from internal combustion engines or electric motors. The human is just the “brain” and control of the system. However, in most developing countries, the human is also a major source of farm power.” They went on to say, “In developing countries there is a great variation in the proportional use of the three primary sources of farm power. In some countries there is a dynamic situation in which human and animal power is being replaced by mechanical power, but in others, farmers are having to give up mechanical and animal power and revert back to human power.” There is no question that uses of tractors increase the land area that can be cultivated, Figure 1. This study by Clarke and Bishop (2002) also shows that hand, animal draft and tractors supplied more or less equal amounts of power in developing countries (excluding China) in 1998, Figure 2. By 2030, Clarke and Bishop expect the proportion of power supplied by hand and animal draft will decrease and tractor use is expected to increase substantially, although some countries may be unable to follow this trend because of increasing fuel costs and insufficient government-based initiatives for introducing tractor power. Figure 3 shows the increasing use of agricultural machinery in China, one of the world’s largest markets(Zhou, et al. 2003).
41
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
42
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Here is a preview of this paper. Some principles for global tractor development are outlined based largely on the work of coauthor Dr Karl Renius, a noted authority on tractor design and manufacturing (Renius, 2002; Firodia, Bacher, and Renius, 1989 and 1999). The view from North America draws heavily on the work of coauthor Dr. John Schueller (Schueller and Wall, 1986; Schueller and Stout, 1995; Krutz and Schueller, 2000), another noted authority on mechanical design and farm equipment applications. The section on reducing manufacturing costs is based on Club of Bologna presentations by Reid, Schueller, and Norris(2003) and also Harms(2003). The prerequisite infrastructure necessary for successful use of farm equipment comes from Stout and Downing (1976) work published 30 years ago that is still very relevant today. The recent article in Successful Farming (Mowitz, 2004) outlines the demise of practical mechanical programs in Agricultural Engineering departments in the US. Similar de-emphasis on mechanical specialties is taking place around the world (Technical University of Munich, Silsoe Research Institute, FAO, IRRI, etc.). The paper ends with a discussion of the need for interdisciplinary teams to solve complex problems facing agriculture and the crucial need for agricultural engineers to be part of those teams (Stout, 1997). AGRICULTURAL EQUIPMENT INDUSTRY IN THE USA The agricultural equipment industry in the USA has been rebounding from difficult times in which sales and profitability suffered and there were continued consolidations. In general, while there were introductions of new models, they tended to be technical evolutions rather than revolutions. But there are some areas in which innovations are driving significant commercial sales. Light bars and other forms of guidance assistance have been a great bright spot in agricultural equipment sales, both in aftermarket and original equipment. They allow the equipment to follow very precise paths. Based upon the Global Positioning System (GPS), they reduce overlaps and skips, which can be very important in planting, fertilization, and pes43
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
ticide applications. They also increase the productivity of other operations. Automatic guidance is on its way to be a requirement for new tractors and some self-propelled equipment, including fertilizer and pesticide applicators. Equipment for precision agriculture also continues to sell, although the enthusiasm and sales are tempered by difficulties in using the technologies for effective management. The large amount of data manipulation and intervention required, and the uncertainties of what should be done, have caused some to be disappointed. Yield mapping technologies are becoming standard on grain harvesters and variable rate controls are achieving some penetration on fertilizer and pesticide application. The trend appears to be to make systems, which are both, easier to use and more open, so that they can be used with more software. There appears to be a trend for continued adoption of the controller area network (CAN) bus on agricultural equipment. This standardized communications network allows the various controllers and other electronic devices to communicate with each other. It has reached the point of maturity where ISO 11783 is now viewed as the communications standard for this industry. Continuously variable tractor hydromechanical transmissions were introduced later into the USA than into Western Europe. However, their recent introduction has drawn considerable interest. It is likely that they will increase their market share. Perhaps the overriding concern of those attempting to sell powered agricultural equipment in the USA is the increasingly strict engine emission standards. This is requiring very major investments in technology development and will affect equipment prices. The Tier 3 emissions standards are being reached. However, the very substantial further reductions in NOx and particulate matter (PM) required in Tier 4 has the industry very concerned. These standards will start to be applied in 2008 and be completely enforced by 2014. The strict requirements will probably require advanced engine controls, comprehensive exhaust after-treatment, and good low-sulfur fuels. The current uncertainty of the available technologies and the overall costs of the after treatments raise great concerns. Controlling emissions in agricultural equipment and other off-road machinery can be difficult due to the more adverse and varied conditions of use. The many models and sizes, combined with the relatively low volumes of sales of those models and sizes, contribute to the difficulty in being able to devote the resources necessary to solve such a problem. The agricultural equipment industry has long been globalized. This is not surprising, given the fact that agriculture of some type is practiced in all countries. This globalization takes many forms. In some cases it is simple importation of equipment from centralized factories in developed countries. In other cases, it is local manufacture of foreign designs. One rather unique situation for agricultural equipment is the global marketing of globally dispersed manufacturing to locate the manufacturers near their most natural markets. For example, large tractors could be made in North America, medium tractors in Western Europe, and small tractors in Asia. All sizes might be sold worldwide, but manufactured where they dominate. Cost of production and achieving sufficient economies of scale may also drive the particular type of globalization. For example, they may be behind AGCO’s recent decision to cut combine manufacturing in Denmark to only high-specification models and make a longterm agreement to have entry-level and mid-level combines manufactured for them in Italy. Another globalization strategy is to produce the same equipment in multiple locations throughout the world. This provides the manufacturer with some protection against labor actions, currency fluctuations, and political situations. There is much political discussion in the USA about “outsourcing”. There has been a long, and sometimes politically unpopular, trend for manufacturing to be moved to countries 44
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
with lower labor costs and less regulations, such as countries in Latin America, Asia, and Eastern Europe. There was also some internal migration in the USA from the northern states to the southern states. But with the extension of globalization to service, technical, and managerial tasks, the level of political concern has increased even more. Although the change has been much less abrupt in the agricultural equipment industry, the trend to globalization continues. Leading engineering universities in the USA are now making much greater efforts to prepare students for such environments. For example, twenty percent of the engineering graduates at the University of Rhode Island also receive a college degree in German, French, or Spanish language. The USA agricultural equipment market is the world’s largest in total value, although more units of certain machines are sold in other large countries, such as India, China, and Brazil. Due to its size, there are many participants in the market. They include the large multinationals and manufacturers from North America, Europe, and Asia. Success in the USA, as elsewhere, depends upon the usual factors of appropriate product, strong dealership organization, and good parts and service. Importers have been able to prosper especially where they fill needs which some USA farmers feel are neglected by a perceived concentration of multinationals on large equipment and equipment for high-area crops. The globalization has also led to the “gray market” issue. These are machines, which are imported into countries through non-official channels. In the USA, the concern earlier was most with small tractors from Japan. Now self-propelled forage harvesters and telehandlers from Europe are also an issue. Companies claim that there are problems with warranty, parts and attachments, and legal liability issues with such imports. Consumers see it as a way to get unique or less expensive products. There are many other trends or issues that have recently arisen in the contemporary USA agricultural equipment industry. These include: • being concerned with meeting the European Machinery Directive. • remanufacturing. Will the agricultural equipment companies follow the lead of Caterpillar who has purchased engine and transmission remanufacturing companies? • qualified service verification. John Deere is now matching sales delivery or rental receipts to the dealer’s training. To sell certain pieces of equipment someone from the dealer’s staff must have passed an exam on the relevant training. Will this apply to agricultural equipment? The agricultural equipment industry in the USA appears to be recovering from the down cycle. This may be due to improved credit availability and lower interest rates, as well as pent-up demand for replacement equipment. The U.S. Ag Flash Reports (AEM, 2004) released in September 2004 report USA sales in the January through August sales periods, Table 1. Table 1. Sales of tractors and combines in the USA.(AEM, 2004) Equipment 2WD Tractors (< 40 HP)* 2WD Tractors (40 - 100 HP)* 2WD Tractors (> 100 HP)* 4WD Tractors** Self-Propelled Combines
Jan - Aug 2003 92,123 40,718 9,141 1,703 2,596
Jan - Aug 2004 99,297 47,655 13,287 2,199 3,698
45
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
All the tractor categories and the combines show increases in sales. This optimism is reflected in the total predicted sales forecast for the full year, Table 2. Table 2. Predicted sales of tractors and combines in the USA.(AEM, 2004) Equipment 2004 Forecast 2WD Tractors (<40 HP)* 131,485 2WD Tractors (40 - 100 HP)* 63,761 2WD Tractors (> 100 HP)* 16,700 4WD Tractors** 3,376 Self-Propelled Combines 5,808 *including tractors with front wheel drive with small wheels **large tractors with same size front and rear wheels
2005 Forecast 136,415 66,039 16,962 3,331 6,077
The situation in Canada has not improved yet, although the market for smaller tractors is expected to improve in 2005. The improving USA situation has been reflected in improving profitability for the major manufacturers in that market. For example, Deere’s operating profits have gone from US$252 million to US$817 million to US$1212 million from 2001 to 2002 to 2003. The best projection for the future of the agricultural equipment industry is that it is a mature market with most of the sales being replacement equipment. No revolutionary products are being introduced which would create rapid technological obsolescence and radical changes in sales. The large markets will likely continue to be dominated by the large multinationals, principally Deere, CNH, and AGCO. Smaller companies and importers will continue to successfully service smaller markets and those farmers in large markets who demand the lowest cost equipment. Electronics will continue to increase in importance due to the increased functionality they provide. However, their contribution to equipment cost will not increase proportionately due to the electronics industry’s continued cost declines per unit of performance. GLOBAL TRACTOR DEVELOPMENT Hundreds of excellent references have been written on engine power, single-axle and two-axle tractors. No attempt is made herein to cite all the relevant references, but one excellent overview is presented in the comprehensive CIGR Handbook, Volume III, entitled Plant Production Engineering (Stout and Cheze, Editors, 1999). This handbook deals not only with tractors, but also with tillage machinery, pest control equipment, harvesters and threshers, and most other types of farm equipment. It was authored by some 40 experts from around the world. The focus in this paper is on a few principles of tractor development, based on the lifetime work of coauthor Dr. Karl Renius. He classifies the worldwide tractor technologies into five levels as described by the level of tractor functions and technical complexity, Table 3.
46
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Table 3. Basic specifications of tractors by technology levels: worldwide view for two-axle tractors. ROPS means “Roll-Over Protective Structure”. (Renius,2002)
Technology level I is the lowest and V the highest. Reliability and durability are not included in this classification scheme because a tractor of a low technology level must offer outstanding durability when operated by an untrained driver, perhaps in a tropical climate, in heavy soils or paddy fields or with inadequate service. The lowest technology level, I is characterized by a low power level, only rear wheel drive, low comfort (no cab), low overturning resistance (typically no ROPS) and very simple components. Level I represent the predominant tractor population in China (small two axle tractors) and similar regions. Level I may well meet the needs of many farmers in other less developed countries. Level I was also found in India in the past, but now India is moving towards Level II. A new tractor line in India with some interesting principles of technology transfer and international cooperation was described by Firodia, Bacher, and Renius (1999). This tractor, called the Tempo OX, focused on the following customer expectations: • improved power with high torque backup for operating in different agro-climatic conditions, • efficient transmission and easy shifting of gears, • higher capacity of hydraulics with sensitive response, • good ergonomics, • high reliability, • reduced vibration and noise, and • modern appearance. The OX family of tractors is fully indigenous (in India) and therefore can be manufactured at very low cost. What has been created is truly a modern tractor, comparable in performance and characteristics to world market standards in its class. Level IV describes the typical modern tractor in highly developed regions such as Mid-Europe, North America, Japan and others. But these markets are moving toward Level V, mainly characterized by infinitely variable transmissions and more sophisticated diesel en47
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
gines---both with electronic control systems and common automatic control strategies, also called “drive line management”. TECHNOLOGY LEVELS FOR TRACTOR COMPONENTS The principle of definition of technology levels can also be applied to tractor components. The transmission is considered the most important component in terms of first cost, mostly in terms of development costs. The tractor transmission consists mainly of the speed change and reverse gearbox, the final drive with service brakes, the four-wheel drive mechanism and the PTO drive line often including auxiliary drives such as the main hydraulic pump. The most important differences regarding technology levels can be found in the speed change concept, Table 4. Table 4. Technology levels for tractor transmissions (concentrated on the speed change and the reverser functions). SG: Sliding Gear shift, CS: Collar Shift, SS: Synchronised Shift, HiLo: 2-speed power shift, PPS: Partial Power Shift (3 or more speeds), FPS: Full Power Shift (all speeds), CVT: Continuously Variable Transmission, ( ) options.(Renius, 2002)
The simplest gearbox of Level I offers only 6 forward and 2 reverse speeds, and shifting is done by sliding gears or collar elements covering a relatively small speed range. This technology was typical for Western Europe and North America in the 1950s and later became important for several developing countries (India for example). At this time the Indian market requirements move towards Level II. For example, the transmission in the Indian Tempo XO tractor is synchronized with 4 basic speeds and a mixture of collar shift and sliding gear shift resulting in 8 forward and 4 reverse speeds. It has alarge master clutch, 2 PTO speeds, highperformance lifetime wet disc brakes and an extra strong final drive. Level III has been typical for smaller tractors in the industrialized countries while the popular concept is toward Level IV in recent years. Level V represents an increase in technology with infinitely variable transmissions of a new-sophisticated generation. They offer considerably higher efficiencies and more automatic functions than is the past. Compared with, The energy loss of the new CVT units (without final drive) is only about half that of conventional hydrostatic units such as used on Japanese tractor transmissions due to the power split principle and optimized or completely new axial piston units. 48
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Tractor manufacturers marketing their products in many counties must minimize the number of mechanical parts in each family of their complete tractor line. Such a manufacturer can use interchangeable parts at Levels IV and V, but it will be difficult to use the same parts for Levels I and II which are typical for countries such as China and India. Less developed countries should therefore look for technology transfer strategies based on proven tractor designs suitable for their level of technology. Reducing Manufacturing Costs (Reid, Schueller, and Norris, 2003; Harms, 2003): For agricultural equipment to be practical, it must be affordable to the users and profitable for the manufacturers. Therefore, manufacturing productivity and efficiency of agricultural equipment is an important part of the systems engineering necessary to improve our food production systems. Figure 4 illustrates the processes the agricultural industries use in the development of new products. It shows the linkage between the new concepts for products that come from Product Planners or Advance Engineering groups and results in identification of a product development timeline including the influence of R&D, manufacturing, sales, service and finance. New concepts inputs to the process are heavily influenced by the ability of the manufacturer in providing the capabilities to be found in new products. The output of the process is products that meet customer needs. This leads to consideration of product families (e.g, tractor series), re-use of well-developed subsystems (e.g., transmission and engine components), and manufacturing capabilities of the organizations. Strong supplier relationships have been used to provide those components that do not differentiate the manufacturer from their competition (e.g. hydraulic components). Over the years, these processes have interacted to result in a highly efficient organization for the production of agricultural equipment. But the efficiencies that have been accomplished over the last twenty years are being further stressed to become more efficient in the face of decreased sales and changing distribution of the agricultural workforce worldwide. User requirements for additional electronics, controls and corresponding software require a high level of manufacturing efficiency while adding an ever increasing level of complexity to the management and manufacturing processes. To meet these additional requirements and because project management is an outgrowth of systems management, traditional project management is migrating towards the use of system engineering tools. Through the application of these tools, the design, manufacture, and life cycle of products are considered early in the project development cycle. Early application of systems tools reduces cost, improves efficiency and minimizes risks associated with increased electrical content.
49
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Figure 4. Example schedule of managing new projects (Reid, Schueller and Norris, 2003) ELECTRONICS AND MECHATRONICS SYSTEMS Replacing mechanical functionality with electronic functionality might also reduce manufacturing costs. Just as electromechanical servomotors are computer-tuned to get responses based upon their industrial application, agricultural equipment components can be similarly adjusted. In the markets of less-developed countries, it may make sense to have a slower adoption of electronic content in equipment since a critical issue is the serviceability of machines in the field. This is based on the presumption that less developed countries find it easier to support a mechanical-service infrastructure than an electrical-service based infrastructure. Mechatronics is the synergistic combination of mechanical engineering, electronic engineering, control engineering, and information sciences (Figure 5). Mechatronics characterizes a general trend of increasing automation. Previous products have treated the mechanical and electronic design as separate entities. Fusion of these systems in design will lead to decreased costs in design and manufacturing and increased functionality. In effect mechatronics becomes the implementation of systems engineering principles resulting in the efficient design of electro-mechanical systems.
50
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Figure 5. Mechatronics systems combine mechanical, electrical and computing technologies to create equivalent functionality (Zhang, 2003) SYSTEMS APPROACH TO MANUFACTURING Due to current agricultural equipment complexity, some agricultural manufacturers are adopting systems engineering methods to reduce the costs of machinery and mitigate the risks involved in the design and manufacture of ever more complex machinery. The systems approach proceeds with design synthesis and system validation while considering the complete problem and product life cycle including disposal. In short, a systems approach considers both the business and the technical needs of all stakeholders with the goal of providing a quality product that meets the user needs. The systems approach has three major components as shown in Figure 6:
Figure 6. Systems approach to manufacturing (Reid, Schueller and Norris, 2003) 51
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
“Requirements Management” consists of requirements capture and allocation. Requirements capture involves capturing and using stakeholder requirements to yield product specifications while requirements allocation involves developing systems architecture possibilities and systematic requirements traceability. The modular components of a system or sub-system are defined by form, fit, function and input/ output definitions “Top Down Design and Simulation” and “Bottom Up Design and Simulation” used in the design process will improve product quality while eliminating prototypes, reduce product delivery cycle time, and optimize machine performance. “Bottom Up Simulation and Analysis” which involves simulation and analysis starting from the component level and working upward. Examples include the finite element analysis of wheels and three-dimensional dynamic simulation of a tractor. Rapid prototyping, virtual simulation, and design for assembly and manufacture are possible methods that may be involved. “Top Down Synthesis and Simulation” involves product development (synthesis) from upper level requirements. For example, fleet system simulation and optimization, synthesis of machine systems, to synthesis of kinematics. An additional aspect of this process is the design of modular system architectures. Harms (2003) described the concept of simultaneous (or concurrent) engineering. Without early and simultaneous involvement of all departments, specialists, suppliers and potential external consultants, one can no longer develop ever more complex agricultural machines. In that case “simultaneous” means to be faster to the market, because all manufacturers can contribute their expertise earlier, and also have the opportunity to use the expertise of the various specialists as early as possible. Thus, the product quality and the market use is improved simultaneously. In former times and with small machines, one could afford to have machines designed and looked after by one specialist. Today this is no longer feasible due to the fact that machines have become too complex. For various conditions in different markets it is important to cooperate with a very high flexibility in the field of design, production, purchasing, controlling and marketing. In all parts of the industry there is great pressure on the development departments, Table 5. Table 5. Pressure on the development department.(Harms, 2003) Pressure on Time short product life time
quicker in the market
accelerate development process
development process must be shorter than product life time
52
Pressure on Costs increasing complexity
Pressure on Quality realization of customers request
outsourcing
flexibility of development process
overhead expenses
integration of special knowhow
production expenses
innovative concepts for new products
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
“Simultaneous (or Concurrent) Engineering“, is a process wherein products and production equipment are developed simultaneously by interdisciplinary teams and sub-suppliers are involved as early as possible. The main advantages of the SE-method are a much shorter development period, lower development cost and earlier market presence. AGRICULTURAL MECHANIZATION POLICIES: Almost 30 years ago, Stout and Downing (1976) wrote about the need for a coherent mechanization policy. They pointed out that in most countries development plans provide basic policy guidelines for agricultural development; but the component of these plans concerning mechanization policy is generally weak or non-existent. This is a serious failing, for it is increasingly recognized that mechanization profoundly influences factors such as the volume and quality of production; the productivity of both land and labor; the cost of production; the level of employment; migration of agricultural wage earners and farmers; land ownership patterns; the development of mechanical skills and of manufacturing and service-related industry; and foreign exchange. These are all very important factors for the national economy of any country and each requires careful and deliberate consideration. All governments should therefore work out a coherent and consistent set of aims and approaches, which in aggregate constitute an agricultural mechanization policy, and should make sure that the role of mechanization is understood by all. Adequate mechanization policy involves much more than production and employment considerations; in addition it includes objectives concerning consumer prices, land tenure, conservation and energy. Some of the basic questions concerning mechanization it will attempt to resolve are: Is tractor mechanization to be promoted? What operations should be further mechanized? Where (i.e. to what particular crops, areas or production bottlenecks) should mechanization be applied? What levels of mechanization (i.e. hand tools, animal-draft or tractorization) should be applied? What is the best way to promote the desired mechanization? The major components of a mechanization policy may be broadly categorized as technical, on the one hand, and economic and social on the other. Before examining the various technical considerations that should guide a mechanization policy, it must be emphasized that a successful agricultural program, with or without mechanization, must include measures to ensure the availability and proper use of modern inputs such as high yielding varieties, fertilizers, improved water control systems and crop protection chemicals as well as labor, draft animals, hand tools, and engine powered machines. TRAINING AND EDUCATION One of the first priorities is to provide training and education for users of mechanical equipment, whether hand operated, animal drawn, or motorized. Training facilities are needed for mechanics, technicians and engineers, those who will design equipment, work as extension officers, conduct mechanization research and supervise mechanization programs. MANUFACTURING, DISTRIBUTION, SERVICE AND REPAIR Development of a local farm equipment industry provides alternative employment, reduces dependence on imports, saves foreign exchange and facilitates the supply of spare parts and service. Adequate supplies of spare part are essential for the smooth and efficient operation of a mechanization program.
53
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
IMPORTS AND JOINT VENTURES Equipment designed for use in Europe and North America often has to be modified and strengthened or even completely redesigned to ensure mechanical reliability and to fit in with local agricultural practices. Joint ventures where international companies collaborate with local manufacturers have become commonplace in recent years. Examples include Deere and company’s joining with China’s state owned Tianjin Tractor Manufacturing Company and CNH joining with the Shanghai Tractor and Internal Combustion Engine Corporation. FUEL SUPPLIES Engine powered equipment requires a steady, dependable supply of fuel, which is an essential task of a mechanization policy to ensure, especially in times of shortages and higher prices. RESEARCH Appropriate research on agricultural mechanization systems should be encouraged and funded at existing national and regional institutions. These may be universities, institutes for agricultural research, machinery testing centers or other agencies. Research can be strengthened by better financing, better qualified staff, better facilities, better communication between agencies and disciplines, and integration with general agricultural research. CREDIT Since most farmers in less developed countries have accumulated very little capital, any move to higher-level mechanization will require a supply of credit to small manufacturers and farmers. STORAGE, TRANSPORTATION, POST-HARVEST PROCESSING AND MARKETING The goal of increased production assumes the existence of a market. Storage, transportation and Post-harvest processing are important links between the farm and the market. MECHANIZATION POLICY COMMITTEE A special co-ordinating committee (or working group) should be appointed and made responsible for drawing up a detailed mechanization policy and program to accelerate the development and efficient application of equipment for agricultural production and post harvest handling and processing. It activities might include: 1. a broad program of research to define the role of agricultural mechanization in each country, 2. prioritizing mechanical research and development projects, 3. testing and functional evaluation as well as reliability and durability, 4. operating demonstration farms in cooperation with extension specialists, 5. collaborating with manufacturers, 6. provide extension services 7. economic and social considerations, effect on employment, 8. calculation of cost/benefit ratios AGRICULTURAL/MECHANICAL ENGINEERING EDUCATION Education and research has been discussed in the previous section, but another aspect needs to be mentioned. In North America, Europe and other countries as well, the Power and Machinery (mechanization) programs in many agricultural engineering departments have 54
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
been severely reduced almost to the point of elimination. Many agricultural engineering departments have added the word biological, or biosystems to the department name and some have removed the word—agriculture. The idea is that the machinery manufacturers can provide all the needed engineering expertise. But where will the machinery companies find that mechanical expertise? Certainly not in most of the agricultural engineering programs in US universities. The same is true in many European universities. And FAO has recently downgraded its mechanizations services. IRRI has nearly eliminated its once mighty mechanization research program. A recent article in the widely read US magazine, Successful Farming, decries this move away from practical applications of agricultural engineering and mechanization. It cites the example of a well-known practical agricultural mechanization specialist, Dr. Graeme Quick, who was recently allowed to retire from Iowa State University and return to his home in Australia. The author of this article, Dave Mowitz, asks where will we find the practical engineers specializing in agricultural mechanization in the future? He writes, “Never mind that agriculture is still the number one occupation in many states (in the US and around the world) as well as the largest single industry in the country (US). Yet it seems that university administrators are turning up their collective noses at production agriculture. At times they act embarrassed to deal with the day-to-day aspects of farming and ranching.” (Mowitz, 2004) My message to you---don’t let this situation develop in China or in other countries where agriculture is so important to the national economy. ENGINEERS---PART OF THE INTERDISCIPLINARY TEAM Engineering has the potential to contribute to a wide variety of options to help increase production and productivity and thereby reduce poverty and increase food security and safety. All too often, however, we have missed opportunities by working on micro-studies in isolation and interpreting our role too narrowly. We haven’t communicated our achievements effectively in terms that the public, policy makers, and other disciplines can appreciate. We are very good at what we do, but too many of us are content to focus on micro-studies; that is, problems with well defined boundaries that lend themselves to quantitative analysis. Many of us are uncomfortable when faced with broad issues that may be poorly defined and often unbounded; problems such as poverty, illiteracy, unequal income distribution, and food security and safety. We prefer to withdraw to our labs and develop and validate mathematical models that have clearly defined, finite boundaries. We can then present our results with confidence based on mathematical principles, the laws of physics, thermodynamics and so on. And this type of work is important. We should be justifiably proud of our talents and accomplishments. But the technical and mathematical aspect is only part of the picture; sometimes the easy part. The fundamental objective of engineering should be to help people, so we must strive to be a part of interdisciplinary teams that include social, economic and even political dimensions. So my challenge to you is to look at the big picture---think globally and multidisciplinary. Look for ways for industry and university/government engineers to work with other specialists to solve bigger problems. Ask—what are the major agricultural-related problems in the world today? And how can we contribute to solutions? We have already talked about a systems approach for solving mechanical design problems, but now we are thinking about working within a multidisciplinary environment. In this way engineering can have a direct impact through research and development as well as an indirect impact by being a catalyst for increasing the impact of other disciplines. By adopting a demand-led systems approach that considers all stakeholders involved in the production to consumption chain, intervention points can be better identified and targeted and R&D can be better focused to achieve outputs 55
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
appropriate for each target group. Combined with a problem-solving orientation rather than a technology focus, hardware development becomes a tool and not an end in itself. To capture the opportunities that a systems approach offers will require engineers to work more closely with target groups in a more multidisciplinary environment. As such, it may be necessary to develop or tap into a wider set of skills (such as economics, operations research, ergonomics, business management, agronomy, etc.). Problem solving, not technology generation, must be the focus. Some big problems that agricultural engineers can address include feeding an expanding world population, improving income distribution so everyone will have the purchasing power to afford a balanced and nutritious diet (food security), natural resource conservation and efficient management (soil, water, energy, etc.), maintaining the environment (preventing soil degradation, maintaining water and air quality, etc.), maintaining food safety, and creating a safer workplace. Mechanization must be considered in the context of this broader set of issues. I also challenge you to become more involved with public policy issues and to let administrators and policy makers know about the benefits of your work to society and to ensure that agricultural engineering (mechanization) is on the national and local research priorities list. No one person can do these things alone—it is up to all of us to broaden our horizons, think and talk more about the impact of our work on humans; and thereby strengthen our profession and increase our service to humanity (Stout, 1997). REFERENCE AEM. 2004. “U.S. Ag Flash Reports.” Association of Equipment Manufacturers. http://www.aem.org/Trends/USAg/ Accessed 25 September 2004. Clarke, L. and C. Bishop. 2002. Farm Power—Present and Future Possibilities in Developing Countries. Agricultural Engineering International: the CIGR Journal of Scientific Research and Development. Vol. IV. Invited Overview Paper. Presented at the ASAE International Meeting/CIGR World Congress. July 30. Chicago. 19 pp. cigr-ejournal.tamu.edu Firodia, A., R. Bacher, and K. Renius. 1999. Transfer of Technologies from Developed to Developing Countries: Experiences and Results in Asia and the Far East. The Case of India. Proceedngs of the 10th Meeting of the Club of Bologna, Nov 14-15. pp 117-127. Harms, H-H. 2003. Possibilities to Reduce Manufacturing Costs of Tractors and Agricultural Equipment. Agricultural Engineering International: the CIGR Journal of Scientific Research and Development. Vol. VI. Invited Overview Paper. Presented at the Club of Bologna meeting. Nov 16. 9 pp. cigr-ejournal.tamu.edu Krutz, Gary W. and John K. Schueller. 2000. Advanced Engineering: Future Directions for the Agricultural and Biological Engineering Profession. Journal of Agricultural Engineering Research. 76: 251-265. Mowitz, D. 2004. Practical Engineering at Risk. Successful Farming. September. Reid, J., J. Schueller, and W. Norris. 2003. Reducing the Manufacturing and Management Costs of Tractors and Farm Machinery. Agricultural Engineering International: the CIGR Journal of Scientific Research and Development. Vol. V. Invited Overview Paper. Presented at the Club of Bologna meeting. Nov 16. 12 pp. cigr-ejournal.tamu.edu Renius, K. 1989. The Industrial Process of Implementing Innovative Ideas to Farm Machinery. Proc. 1st meeting of the Club of Bologna. Bologna, Italy. Pp. 57-66. Renius, K. 2002. Global Tractor Development: Product Families and Technology Levels. Proceedings Actual Tasks on Agricultural Engineering Symposium. Opatija, Croatia. March 12-15. p 87-95. 56
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Schueller, John K. and Bill A. Stout. 1995. Agricultural Trends and their Effects on Technological Needs for Farm Equipment in the 21st Century. Proc. Club of Bologna. Bologna, Italy. November 6-8. pp. 65-76. Schueller, J.K. and T.M.P. Wall. 1986. Tractorisation and the Tractor Industry in India. ASAE Paper No. 86-5002. Stout, B. 1997. Challenges and Opportunities for Agricultural Engineers. Resource Magazine. American Society of Agricultural Engineers. Sept. p 19. Stout, B. and C. Downing. 1974. Selective Employment of Labor and Machines for Agricultural Production. Monograph No. 3. Institute of International Agriculture. Michigan State University. East Lansing, Michigan. USA. 23 pp. Stout, B. and C. Downing. 1974a. Selective Mechanization: a Hope for Farmers in Developing Countries. Agricultural Mechanization in Asia. Summer. p. 13-17. Stout, B. and C. Downing. 1975. Counterpull. FAO CERES. Jan-Feb. p. 43-46 Stout, B. and C. Downing. 1976. Agricultural Mechanization Policy. International Labor Review. 113(2): 171-187. Stout, B. and B. Cheze (Ed). 1999. Plant Production Engineering. CIGR Handbook Vol III. American Society of Agricultural Engineers. 632 pp. Zhou, X., R. Dong, S. Li, G. Peng, L. Zhang, J. Hou, J. Xiao and B. Zhu. 2003. Agricultural Engineering in China. Agricultural Engineering International: the CIGR Journal of Scientific Research and Development. Vol. V. Invited Overview Paper. 11 pp. cigrejournal.tamu.edu Билл Стаут, Факультет биологической и сельскохозяйственной инженерии Техасский сельскохозяйственный и машиностроительный университет, США Карл Рениус Факультет машиностроения, Мюнхенский технический университет, Германия Джон Шулер Факультет машиностроения, Университет штата Флорида, США ПРОИЗВОДСТВО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ И ЕГО АКТИВИЗАЦИЯ В МЕНЕЕ РАЗВИТЫХ СТРАНАХ Резюме Механизированное сельское хозяйство – это реальность! Ручные орудия, машины, приводимые в движение тяговыми животными, и трактора применяются в каждой стране. Сельскохозяйственные инженеры и инженеры-механики востребованы для конструирования эффективного оборудования или для выбора соответствующего размера и типа машин для местных условий. Глобальное производство сельскохозяйственной техники обсуждается наряду с созданием совместных предприятий и другими совместными усилиями с производителями. Представлены некоторые принципы глобального развития тракторостроения. Определены пять технических уровней в зависимости от мощности двигателя, типа трансмиссии, гидравлических и электронных систем и т.д. 57
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. Включен раздел о снижении производственных затрат с особым акцентом на системный подход, сближающий многие виды специальных знаний для ускорения инженерно-технического прогресса и снижения затрат. Подчеркивается критическая необходимость в высокообразованных инженерахпрактиках и механиках сельского хозяйства. Этот тип высококвалифицированных кадров потерян во многих университетах США и других странах мира. Не допустите, чтобы это случилось в России! Наконец, обсуждается необходимость участия сельскохозяйственных инженеров-механиков в качестве ключевых фигур в междисциплинарных коллективах. Очень часто мы концентрируем слишком много внимания на микро-исследованиях и не видим общей картины – то есть ключевых проблем, которые стоят перед сельским хозяйством, таких, как задача накормить все возрастающее население планеты, совершенствование распределениях доходов, чтобы все люди имели покупательную возможность позволить себе сбалансированные и питательные продукты, сохранение и использование природных ресурсов, охрана окружающей среды, включая качество воздушной и водной среды, и так далее. Механизация сельского хозяйства должна рассматриваться в контексте этих широких проблем. Получено 12.04.2005.
Д.С. Стребков, академик Россельхозакадемии, д-р техн. наук, профессор Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ), Москва СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА: СОСТОЯНИЕ И БУДУЩЕЕ РАЗВИТИЕ Рассмотрены важнейшие факторы, материалы и технологии, определяющие роль солнечной энергии в будущем производстве энергии. Ключевые факторы включают эффективность преобразования солнечной энергии не менее 20%, возможность производства электроэнергии 24 часа в сутки, 50 лет срок службы энергетической системы, цену 1000 американских долларов за киловатт пиковой мощности, доступность и низкая цена материалов для солнечной электростанции и экологическая безопасность производства и работы солнечной электростанции. Новые принципы преобразования солнечной энергии, новые технологии солнечного кремния, производства солнечных элементов, герметизации солнечных модулей, использование стационарных солнечных концентраторов и новых методов передачи электрической энергии для глобальной солнечной энергосистемы обеспечат к концу столетия 60 -90% долю солнечной энергии в мировом производстве энергии. ВВЕДЕНИЕ Ресурсы солнечной энергии огромны и доступны каждой стране. Количество солнечной энергии, поступающей на территорию России за неделю, превышает энергию всех российских запасов нефти, газа, угля и урана. В России и Европе доля солнечной энергии в виде биомассы и гидроэнергии составляет 6% в общем производстве энергии, в развивающихся странах 80% [1]. По терминологии, принятой в ООН, все 58
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. виды энергии, в основе которых лежит солнечная энергия, называются возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ). Доля ВИЭ в потреблении энергии в странах ЕЭС должна возрасти до 12% до 2010 г., а установленная мощность солнечных энергетических систем (СЭС) должна увеличиться до 3 ГВт в 2010 г. Доля ВИЭ, включая гидроэнергетику, должна составлять 22, 1% в потреблении электроэнергии в странах ЕЭС до 2010 г. В 2003 г. потребление энергии в ЕЭС составляло 2880, 8 ТВт⋅ч. В 2030 г. прогнозируемая установленная мощность СЭС, использующих фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии в мире составит 300 ГВт при стоимости 1000 евро/кВт и стоимости электроэнергии 0,05-0,12 евро/кВт·ч [2]. Возобновляемые источники энергии будут замещать уголь, нефть, газ и уран в производстве электроэнергии, теплоты и жидкого топлива. На Саммите на Окинаве, Япония в июле 2000 года лидеры "большой восьмерки" создали международную специальную группу и группу советников для определения барьеров и подготовки решений для достижения существенных изменений в развитии мировой возобновляемой энергетики. В докладе [3], подготовленной специальной группой и утвержденном лидерами большой восьмерки на Саммите в Генуе в июле 2001 года, поставлена задача за десять лет обеспечить 2 млрд. человек в мире энергией с помощью ВИЭ и предложена концепция электрификации сельского хозяйства развивающихся стран. Общая стоимость проекта по обеспечению 2 млрд. людей энергией за 10 лет оценивается в 200-250 млрд. долларов. Для сравнения затраты этих 2 млрд. человек в собственную неэффективную и невозобновляемую энергетику: свечи, керосиновые лампы, печи на твердом и жидком топливе, бензиновые и дизельные электростанции составляют около 400-500 млрд. долларов за 10 лет [4]. Лидеры большой восьмерки заявили на Саммите в Генуе в июле 2001 года: «Мы будем предусматривать развитие ВИЭ в наших национальных планах и поддерживать исследования и инвестиции в новые технологии». Целью работы является определение существенных факторов и технологий, определяющих направления и перспективы развития мировой солнечной энергетики и её роль в энергетике будущего. Роль солнечной энергии в энергетике будущего определяется возможностями разработки и использования новых физических принципов, технологий, материалов и конструкций для создания конкурентоспособных СЭС. Мы сформировали следующие критерии конкурентоспособности солнечной и топливной энергетики. - КПД солнечных электростанций не менее 20 %. - Годовое число часов использования мощности солнечной энергосистемы должно быть равно 8 760 часов. Это означает, что Солнечная энергетическая система должна генерировать электроэнергию 24 часа в сутки 12 месяцев в году. - Срок службы солнечной электростанции должен составлять 50 лет. - Стоимость установленного киловатта пиковой мощности солнечной электростанции не должна превышать 1000 долл. США. - Производство полупроводникового материала для СЭС должно превышать один млн. тонн в год при цене не более 12 долл. США/кт. - Материалы и технологии производства солнечных элементов и модулей должны быть экологически чистыми и безопасными. Рассмотрим, в какой степени современные цели и направления развития солнечной фотоэлектрической энергетики отвечают вышеуказанным критериям. 59
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ Максимальный достигнутый в лаборатории КПД солнечных элементов (СЭ) на основе каскадных гетероструктур составляет 36,9 % (фирма Спектролаб, США), для СЭ из кремния 24%. Практически все заводы в России и за рубежом выпускают солнечные элементы с КПД 14 -17%. Sun Power Согр. США начала в 2003 г. производство солнечных элементов из кремния размером 125 х 125 мм с КПД 20%. Новые технологии и материалы позволят в ближайшие пять лет увеличить КПД СЭ на основе каскадных гетероструктур в лаборатории до 40%, в производстве до 26-30%, КПД СЭ из кремния в лаборатории до 28%, в промышленности до 22%. Разрабатывается новое поколение СЭ с предельным КПД до 93%, использующее новые физические принципы, материалы и структуры. Основные усилия направлены на более полное использование всего спектра солнечного излучения и полной энергии фотонов по принципу: каждый фотон должен поглощаться в полупроводнике с запрещенной зоной, ширина которой соответствует энергии этого фотона. Это позволит на 47% снизить потери в СЭ. Для этого разрабатываются: - каскадные СЭ из полупроводников с различной шириной запрещенной зоны; - солнечные элементы с переменной шириной запрещенной зоны; - солнечные элементы с примесными энергетическими уровнями в запрещенной зоне. Другие подходы к повышению КПД СЭ связаны с использованием концентрированного солнечного излучения, созданием полимерных СЭ, а также наноструктур на основе кремния и фуллеренов. Предлагается использовать принципы микроволнового преобразования энергии (резонатор – волновод – выпрямитель) для преобразования солнечной энергии [2]. ПОВЫШЕНИЕ ЧИСЛА ЧАСОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСТАНОВЛЕННОЙ МОЩНОСТИ СЭС Число часов использования установленной мощности в год составляет для тепловых электростанций в среднем 5200 ч, для ГЭС 1000 – 4800 ч. Для ВЭС 3000 ч., для СЭС 1000 – 2500 ч. [5]. Стационарная солнечная электростанция с КПД 20 %пиковой мощностью 1 кВт вырабатывает за год в центральной России и в Германии 2000 кВт·ч, в пустыне Сахара до 3500 кВт·ч. При слежении за Солнцем производство электроэнергии при тех же условиях возрастет в России до 2800 кВт·ч/кВт, в Сахаре до 5000 кВт·ч/кВт. Зависимость вырабатываемой энергии СЭС от времени суток и погодных условий является ахиллесовой пятой СЭС в конкуренции с электростанциями на ископаемом топливе. Поэтому до настоящего времени в крупномасштабных проектах и прогнозах развития солнечной энергетики предусматривалось аккумулирование солнечной энергии путем электролиза воды и накопления водорода. Мы провели компьютерное моделирование параметров глобальной солнечной энергетической системы, состоящей из трех СЭС, установленных в Австралии, Африке и Латинской Америке, соединенных линией электропередач с малыми потерями (рис. 1). При моделировании использовались данные по солнечной радиации за весь период наблюдений. КПД СЭС принимался равным 20%. На рис. 2 представлен график производства электроэнергии в глобальной солнечной энергосистеме. СЭС генерирует электроэнергию круглосуточно и равномерно в течении года. Размеры каждой из трех СЭС составляют 210 х 210 км, электрическая мощность 2,5 ТВт [6]. 60
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Рис. 1. Глобальная солнечная энергетическая система из трех солнечных электростанций
Рис. 2. Производство электроэнергии глобальной солнечной энергосистемой В связи с развитием объединенных энергосистем в Европе, Северной и Южной Америке и предложениями по созданию глобальной солнечной энергосистемы появились задачи по созданию устройств для передачи тераваттных трансконтинентальных потоков электрической энергии. В конкуренцию между системами передачи на переменном и постоянном токе может вступить третий метод: резонансный волноводный метод передачи электрической энергии на повышенной частоте, впервые предложенной Н.Тесла в 1897 г [7]. 61
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Резонансная система передачи электрической энергии состоит из двух резонансных высокочастотных трансформаторов Тесла 2 и 4, соединенных однопроводниковой высоковольтной линией 3 (рис. 3). 0,5 – 50 кГц ~50 Гц
~50 Гц
1
2
3
4
5
Рис. 3. Резонансная система передачи электрической энергии С использованием модифицированных трансформаторов Тесла мы разработали резонансную систему (РС) передачи электрической энергии электрической мощностью 20 кВт длиной 1,7 км. Результаты испытаний РС представлены в табл. 1. КПД РС при передаваемой мощности 20 кВт составил 85%, при мощности 1 кВт – 95 %. Основным источником потерь являются потери в преобразователях частоты 1 и 5 и контурах на входе и выходе РС, которые могут быть снижены до 5 – 7%. Джоулевы потери и потери на излучение в однопроводниковом волноводе незначительны. Таблица 1 Результаты испытаний резонансной системы передачи электрической мощностью 20 кВт Электрическая мощность на нагрузке Tок Напряжение
20,52 кВт 54 А 380 В
Напряжение линии
6,8 кВ
Частота линии
3,4 кГц
Длина линии Диаметр провода линии Максимальная эффективная плотность тока на единицу площади поперечного сечения проводника линии Максимальная удельная электрическая мощность в однопроводииковой линии
6м
1,7 км
0,08 мм
1 мм
600 А/мм2
4 МВт/мм2
На рис. 4 показана РС с питанием от СЭС мощностью 100 Вт , а на рис. 5 испытание РС с использованием водопроводной воды в качестве однопроводникового волновода для электроснабжения макета электрического судна в бассейне [10]. 62
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Рис. 4. Резонансная система передачи электрической энергии по однопроводниковому волноводу от солнечной электростанции мощностью 100 Вт
Рис. 5. Схема передачи электрической энергии на водный транспорт с использованием водного проводящего канала и испытания макета электрического речного судна в лаборатории ВИЭСХ с использованием водопроводной воды в качестве однопроводного волновода. Передающий блок имеет электрическую мощность 100 Вт, напряжение 1 кВ
63
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. УВЕЛИЧЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Срок службы ТЭС и АЭС составляет 30 – 40 лет. Срок службы полупроводниковых СЭ превышает 50 лет, так как взаимодействие фотонов с атомами и электронами не приводит к деградации кристаллической структуры и изменению скорости поверхностной и объемной рекомбинации не основных носителей заряда. Однако солнечные модули (СМ) имеют сроки службы 20 лет в тропическом климате и 25 лет в умеренном климате из-за старения полимерных материалов – этиленвинилацета и тедлара, которые используются для герметизации СЭ в модуле. Для увеличения срока службы модулей необходимо исключить из конструкции модуля полимерные материалы. В новой конструкции солнечного модуля СЭ помещены в стеклопакет их двух листов стекла, соединенных по торцам пайкой или сваркой. Технология герметизации торцев гарантирует герметичность модуля в течении 50 лет. Для снижения температуры СЭ и оптических потерь внутренняя полость модуля заполнена кремнийорганической жидкостью (рис. 6, 7) [9].
Рис. 6 Солнечный фотоэлектрический модуль, изготовленный по технологии бесполимерной герметизации. Размеры 450 х 970 мм Электрическая мощность 50 Вт, напряжение 12 В
Рис. 7. Солнечный двусторонний фотоэлектрический приемник для стационарного концентратора. Размеры 2м. х 0,12 м. Ожидаемый срок службы 40 лет. Новая бесполимерная технология сборки солнечного модуля была использована для создания эффективной вакуумной прозрачной теплоизоляции (ВПТИ). Солнечные элементы и кремнийорганическая жидкость между стеклами заменены на вакуумный зазор 50 мкм. [10]. В табл. 2 представлены теплоизолирующие характеристики ВПТИ. При наличии ИК – покрытия на внутренней поверхности стекол сопротивление тепло64
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. передачи может быть увеличено в 10 раз по сравнению с одинарным остеклением зданий. Солнечные установки с вакуумным остеклением будут нагревать воду не до 60° , а до 90°С, т.е. из установок для горячего водоснабжения переходят в новый тип установок для отопления зданий. В теплицах и зимних садах потери энергии уменьшаются на 50 %. Облицовка южных фасадов зданий плитами вакуумной прозрачной теплоизоляцией с селективным покрытием превращает здание в гигантский солнечный коллектор и эквивалентно увеличению толщины стен на 1 метр кирпичной кладки при толщине ВПТИ 12 мм. Особенно эффективно использование ВПТИ в южных районах РФ и в республиках Бурятия, Якутия, где в условиях зимнего антициклона при температуре воздуха -30°С температура селективного покрытия при толщине ВПТИ 10 мм составляет +30°С. Использование ВПТИ в летние месяцы позволит на 50% снизить затраты на кондиционирование зданий. Таблица 2 Сопротивление теплопередачи прозрачных ограждений зданий теплиц и солнечных установок Наименование Один лист стекла Два листа стекла с зазором 16 мм Вакуумный стеклопакет Вакуумный стеклопакет с ИК покрытием на одном стекле Вакуумный стеклопакет с ИК покрытием на двух стеклах Двойной вакуумный стеклопакет с ИК - покрытием на двух стеклах Кирпичная стена 2,5 кирпича
Сопротивление Толщина теплопередачи м2•°С/Вт 6 0,17 30 0,37 6 0,44 6
0,85
6
1,2
12
2,0
300
1,2
СНИЖЕНИЕ СТОИМОСТИ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Стоимость установленного киловатта мощности составляет, долл. США/кВт: ГЭС 1000 – 2500, ТЭС 800 – 1400, ВЭС 800 – 3000, АЭС 2000 – 3000 [7]. Основными компонентами современных СЭС, определяющем их стоимость является солнечный модуль изготавливаемый из СЭ на основе кремния. Стоимость СМ составляет сейчас 3500 – 4000 долл. США/кВт при объеме производства 1 ГВт/год, стоимость СЭС 6000 – 8000 долл. США/кВт, стоимость СЭС 1000 долл. США/кВт прогнозируется достигнуть в 2020 г [2]. Основные пути снижения стоимости СЭС: повышение КПД СЭС, увеличение размеров СМ и объема производства, снижение стоимости солнечного кремния, снижение расхода солнечного кремния на единицу мощности СЭС, комбинированное производство электроэнергии и теплоты на СЭС.
65
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. Максимальный размер солнечного модуля ограничен размерами стекла и составляет сейчас 2,5 х 3 м. при электрической мощности 1 кВт. Объем производства СМ растет на 30% в год, а их стоимость снизилась с 1976 года в 10 раз. В России разработана бесхлорная технология производства солнечного поликремния со стоимостью 15 долл. США/кВт, что в два раза ниже, чем стоимость поликремния на европейском рынке (табл. 3) [11]. Сроки создания производства солнечного поликремния объемом 1000 – 5000 т в год по новой технологии 2008 – 2010 гг. Таблица 3 Бесхлорная технология производства поликристаллического кремния Исходные компоненты: этанол и металлургический кремний Si + 3 C2H5OH ⇒ SiH (OC2H5)3 4SiH (OC2H5)3 ⇒ SiH4 + 3 Si(OC2H5)4 SiH4 ⇒ Si + 2H2 В результате реализации технологии: • Стоимость поликристаллического кремния снижается в 2 раза до 15 долл. США/кг • Чистота и качество кремния увеличивается в 10 раз до 99,999% • Производство становится экологически безопасным В новой технологии в качестве исходных материалов используются вместо соляной кислоты этиловый спирт и металлургический кремний, а в качестве промежуточных компонентов процесса – триэтоксисилан и моносилан. Снижение стоимости происходит благодаря снижению температуры процесса и затрат энергии. При этом значительно улучшаются экологические характеристики производства и увеличивается качество кремния в такой степени, что его можно использовать в электронной промышленности. Наиболее быстрый путь снижения стоимости и достижения гегаватного уроня производства СЭС заключается в использовании концентраторов солнечного излучения. Стоимость 1 м2 площади стеклянного зеркального концентратора в 10 раз меньше стоимости 1 м2 площади СМ. В России разработаны стационарные концентраторы с коэффициентом концентрации 3.5 – 10 с угловой апертурой 480, позволяющие в пределах апертурного угла концентрировать прямую и рассеянную компоненту солнечной радиации (рис. 8 – 10) [12]. Использование солнечного поликремния низкой стоимости и стационарных концентраторов позволяет сократить сроки достижения стоимости 1000 долл. США/кВт с 2020 до 2015 гг.
66
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
б) 10 м 480 Фотоприемник
а) б) Рис. 8. Оптическая схема симметричного стационарного солнечного концентратора с концентрацией 3 (а) и концентрацией 10 (б)
Рис. 9. Солнечная электростанция с параболоцилиндрическими стационарными концентраторами пиковой мощностью 1 кВт
67
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Рис. 10. Солнечный фасад с вертикальным асимметричным солнечным модулем с углом раскрытия 360 (1-стеклянное покрытие; 2- отражатель; 3-апертурный угол; 4- двухсторонний приемник; 5 – южный фасад здания), а также фотография экспериментального модуля Солнечные электростанции могут обеспечить производственные и жилые объекты электрической энергией, горячей водой и теплом. Коэффициент использования энергии Солнца составляет 50-60% при электрическом кпд 10-15%. Использование стационарных концентраторов позволяет увеличить температуру теплоносителя до 90° и снизить стоимость СЭС до 1000 долл. США/кВт. На основе концентраторных модулей разрабатываются солнечные микро-ТЭЦ для многоквартирных и односемейных домов и промышленных зданий, а также центральные стационарные солнечные электростанции для городов, поселков, сельскохозяйственных и промышленных предприятий. Повышение эффективности СЭС приводит к снижению затрат энергии и материалов на производство единицы мощности СЭС, размеров и стоимости земельного участка под строительство СЭС. На рис. 11 представлена зависимость стоимости изготовления киловатта установленной мощности солнечных модулей со стационарными концентраторами от КПД. При КПД 20% стоимость производства становится значительно меньше 1000 долл. США/кВт.
68
С то и м о с т ь с о л н е ч н о го м о д ул я , д о л л . С Ш А /кВ т
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
КПД фотоприемника, % Концентрация 5 Концентрация 10 Концентрация 20
Рис.11. Стоимость стационарного параболоцилиндрического концентрирующего модуля мощностью 1 кВт, с апертурным углом 36° для северных широт. УВЕЛИЧЕНИЕ ОБЪЕМА ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ СЭС При современном объеме производства СЭС 1ГВт/год солнечные модули из кремния составляют более 85% объема производства. По нашим прогнозам, солнечный кремний и в дальнейшем будет доминировать в фотоэлектрической промышленности, исходя из принципа: структура потребления ресурсов в долговременной перспективе стремится к структуре их имеющихся запасов на Земле [13]. Земная кора состоит на 29,5 % из кремния, который занимает второе место по запасам после кислорода. При объеме производства 100 ГВт в год и расходе солнечного кремния 10 000 т/ГВт мировое потребление кремния составит 1 млн. тонн в год. Кроме рассмотренной ранее бесхлорной химической технологии получения кремния разрабатываются электрофизические методы восстановления солнечного кремния из особо чистых кварцитов с помощью плазматронов. Развиваются новые технологии получения кремния в виде тонких листов, лент, пленок с лазерным раскроем и автоматизацией процесса изготовления СЭ. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОИЗВОДСТВА СЭС Человечеству не грозит энергетический кризис, связанный с истощением запасов нефти, газа, угля, если оно освоит технологии использования солнечной энергии. В этом случае будут также решены проблемы загрязнения среды обитания выбросами электростанций и транспорта, обеспечения качественными продуктами питания, получения образования, медицинской помощи, увеличения продолжительности и качества жизни. СЭС создают новые рабочие места, улучшают качество жизни и повышают 69
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. энергетическую безопасность и независимость владельцев СЭС за счет бестопливного и распределенного производства энергии. СЭС могут производить экологически чистую энергию в течение миллионов лет, они бесшумны, не потребляют топлива, работают в автоматическом режиме и затраты на их обслуживание такие же незначительные, как на обслуживание электрических трансформаторных подстанций [13]. При использовании СЭС органически сочетаются природные ландшафты и среда обитания с энергетическими установками. СЭС образуют пространственноархитектурные композиции, которые являются солнечными фасадами или солнечными крышами зданий, ферм, торговых центров, складов, крытых автостоянок. Разрабатываются технологические процессы производства компонентов СЭС, в которых экологически неприемлемые химические процессы травления и переработки заменяются на вакуумные, плазмохимические, электронно-лучевые и лазерные процессы. Серьезное внимание уделяется утилизации отходов производства, а также переработки компонентов СЭС после окончания срока службы [14]. На рис. 12 показано изменение доли солнечной энергетики в мировом энергопотреблении. До 17 века солнечная энергия и энергия сжигания древесины, в которой солнечная энергия аккумулируется благодаря фотосинтезу, были единственными источниками энергии для человека. И сейчас 20% мирового производства энергии основывается на сжигании древесины, энергии рек и ветровой энергии, основой которых является солнечная энергия. Новые принципы преобразования солнечной энергии, новые технологии солнечного кремния, производства солнечных элементов, герметизации солнечных модулей, использование стационарных солнечных концентраторов и новых методов передачи электрической энергии для глобальной солнечной энергосистемы обеспечат к концу столетия 60 -90% долю солнечной энергии в будущем производстве энергии.
%
120 100 80 60 40 20 0 1700
1800
1900
2000
2100
2200
Годы
Рис. 12. Доля солнечной энергии в мировом производстве энергии ВЫВОДЫ 1. Существенными факторами, определяющими направления и перспективы развития солнечной энергетики являются: • Обеспечение возможности круглосуточного и круглогодичного преобразования и использования солнечной энергии • КПД СЭС не менее 20%. • Увеличение срока службы СЭС до 50 лет. 70
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. • Снижение стоимости пиковой мощности СЭС до величины, не превышающей 1000 долл. США/кВт. • В случае использования солнечного поликремния в качестве исходного полупроводникового материала СЭС его стоимость не должна превышать 15 долл. США/кг, при объеме производства не менее 1 млн. тонн в год на 100 ГВт СЭС. • Материалы и технологии СЭС должны быть экологически чистыми и безопасными. 2. Новые технологии позволяют достигнуть показателей развития солнечной энергетики указанных в п. 1,2 – 1,6 в 2015 г., по п. 1.1 в 2100 г. 3. Реализация факторов развития и новых технологий приведет к увеличению роли солнечной энергии в энергетике будущего до 60 – 70%, в электроэнергетике до 80–90%. СЭС в течение миллионов лет будут обеспечивать каждого жителя Земли электричеством, теплом и топливом. Антропогенные выбросы энергетических установок будут снижены до приемлемого для экологии Земли уровня. ЛИТЕРАТУРА 1. Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика в третьем тысячелетии //Энергетическая политика. – 2001. - №2. - С.23 – 27. 2. Stefan Novak. Photovoltaic in the world. Status and Future Trends. Chairman IEA PVPS. Seminar in PV Research & Technological Development in European Union New Member and Candidate States. Warsaw, Poland 15 Nov. 2004. 3. Bezrukikh P.P., Strebkov D.S. et al. 2001 G8 Renewable Energy Task Force Chairmen ‘s Report 61pp. Chaimen Report Annexes 75 pp. Printed by the Italian Ministry of Environment, 2001. 4. Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика: для развивающихся стран или для России. Энергия: экономика, техника, экология. - Изд. РАН, 2002. - № 9. - С 11-14. 5. Кашфразиев Ю.А. Ветроэнергетические установки в России – роскошь или источник энергии? Энергия: экономика, техника, экология. - Изд. РАН. - 2004. - № 10. С. 34 – 39. 6. Strebkov D.S. , Irodionov A.E. Global solar power system. Eurosun – 2004, Freiburg, Germany. 14 Intern. Sonnenforum 2004, Vol. 2 p. 336 – 343 7. N. Tecla . Electrical Transformer. US Pat. # 593138, 02.11.1897 8. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи электрической энергии. – М.: Изд. РАСХН, 2004. - 185 с. 9. Стребков Д.С., Безруких П.П. Новые экологически чистые энергетические технологии. Всероссийский энергетический форум «ТЭК России в 21 веке. Актуальные вопросы» Стратегические ориентиры. 18 – 19 декабря 2002 г.: Сборник докладов М., 2002. - С. 95 -98. 10. Стребков Д.С., Заддэ В.В., Шеповалова О.В. Вакуумные стеклопакеты для окон и солнечных коллекторов. Возобновляемая энергетика, март 2004. - С. 12. 11. Strebkov D.S. , Zadde V.V., Pinov A.B., Touyryan K., Murphy L. Crystalline Silicon Technology in CIS countries. 11-th Workshop on Crystalline Silicon Solar Cell Materials and Process. Colorado, August 19-22, 2001, Extended abstracts and papers, NREL, 2001, p. 199-207. 12. Strebkov D.S., Litvinov P.P., Tverianovich E.V. Research of functioning of a class of V-shaped stationary concentrators. Eurosun - 2004. Freiburg, Germany 14 Intern. Sonnenforum, Vol. 2 p. 3-072 – 3-078. 71
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
13. Strebkov D.S., Koshkin N.L. On development of Photovoltaic Power Engineering in Russia Thermal Engineering, 1996, vol. 43, # 5, p. 381-384. 14. Tsuo Y.S. Touyryan K., Gee J.M., Strebkov D.S, Pinov A.B., Zadde V.V. Environmentally Benign Silicon Solar Cell Manufacturing. 2-nd World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion. 6 – 10 July 1998, Hofburg Kongresszentrum , Vienna, Austria, p. 1199-1204. Получено 26.01.2005.
D. S. Strebkov, academican of Russian Academy of Agricultural Sciences, professor All-Russia Research Institute for Electrification of Agriculture, Moscow, Russia SOLAR ENERGY: THE STATUS AND FUTURE DEVELOPMENT Summary Essential factors, new materials and technologies determining the development trends and the role of solar energy in future energy generation are considered. The key factors include 20% solar energy conversion efficiency, 50 years operating time of a solar power system, 1000 USD/kWp cost of installed capacity, availability of low-cost materials and ecological safety of production and operation, the possibility of 24 hours a day solar electricity generation. New physical principles of solar energy conversion, new technologies of solar grade silicon, solar cells manufacturing and solar modules encapsulation, use of stationary solar concentrators and new methods of electric power transmission for solar- based global power system will provide by the end of this century 60 to 90% share of solar energy in future global energy generation.
А. Шептыцки, д-р с.-х. наук, доцент ИБМЭР, Варшава, Польша ЗНАЧЕНИЕ ТЕХНИКИ В СИСТЕМЕ УСТОЙЧИВОГО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА Устойчивое растениеводство предусматривает производство в котором повышение урожайности и экономическая эффективность получаются с учетом охраны природных ресурсов. При такой постановке вопроса внедрение новой техники должно учитывать экологические факторы, качество сельскохозяйственных продуктов, эргономические и социальные факторы. При этом совершенствование производственного процесса должно быть экономически эффективным т.е. увеличение стоимости получаемых продуктов должно покрывать увеличение затрат на внедрение прогресса. ВВЕДЕНИЕ На протяжении многих лет, целью сельскохозяйственного производства было достижение максимальных урожаев при самых возможно высоких производительностях сельскохозяйственных машин. Пришло, наконец, время исправления допущенных 72
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. ошибок и появилось понятие: устойчивое сельскохозяйственное производство, которое характеризуется: - рациональным хозяйствованием природных ресурсов таким образом, чтобы сохранить их способность самовосстановления; - внедрением современных технологий повышающих урожайность и объём продукции и одновременно учитывающих охрану природных ресурсов таким образом, чтобы их состояние не ухудшилось для будущих поколений; - учётом и сочетанием между собой аспектов экологических, экономических и общественных. Разумеется, что устойчивое сельское хозяйство должно быть системой динамической, эластично приспосабливающейся к постоянным изменениям общественных и внешних нужд всей общественно-хозяйственной системы. Это требует постоянных контактов и сотрудничества в сфере производства и науки, создания консультационных служб для обучения. Благодаря такому сотрудничеству повышается экологическое сознание сельских товаропроизводителей и увеличивается ответственность их деятельности для будущих поколений. ТЕХНИЧЕСИЙ ПРОГРЕСС В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ Целью сельскохозяйственной техники, в частности, механизации и энергетики является задача о замещении живого труда трудом технических средств производства. Эти средства должны быть внедрены в систему сельскохозяйственного производства и использованы таким образом ,чтобы выполнение технологических процессов и получение продукции соответствовали принципам устойчивого сельского хозяйства и не вызывали отрицательного воздействия на окружающую среду и здоровье человека. С другой стороны они должны обеспечивать экономическую рентабельность производства. Технические средства сами по себе не увеличивают ни урожайности культур ни продуктивности животных. Однако, умело применяемые они должны создавать условия для полного использования биологических возможностей живых организмов и эффективной отдачи химических средств и удобрений. В системах различных направлений сельскохозяйственного производства технические средства исполняют обслуживающую роль и технический прогресс с ней связанный является лишь одним из составляющих элементов общего научно - технического прогресса способствующего развитию сельского хозяйства. Экономические эффекты в сельском хозяйстве зависят от многих категорий прогресса, например: биологического, химического и технического из которых инженерный прогресс, например, механизации составляет лишь фрагмент. При этом необходимо обратить внимание, что технический и механизированный процессы реализованы не только путем конструкторских разработок, через проектирование и выпуск все более современных машин и оборудования, но также и эксплуатации, путем лучшего, более профессионального и эффективного, использования находящейся на рынке новой техники. Однако существует взаимодействие (обратная связь) в котором прогресс в сельскохозяйственной технике вызывает с другой стороны прогресс биологический. Здесь можно привести следующие примеры. - Доработка точечных сеялок для высева семян сахарной свеклы влечет за собой выращивание сортов, дающих одноростковые семена с мощностью прорастания свыше 95%; разработку оболочек для этих семян, включающих пестициды, стартовые дозы удобрений. 73
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. - Механическая уборка помидоров на полевых плантациях вызвала выращивание сортов, у которых свыше 75% овощей дозревает одновременно, что обусловливает ликвидацию плантации одновременно с уборкой. - Разработка доильных роботов вызвала действия, направленные на выращивание и откорм крупного рогатого скота с длинными ногами, таким образом, чтобы плечо робота, оснащенного доильными стаканами, свободно помещалось под выменем коровы. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАБОТЫ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН И ВЛИЯНИЕ ЭТИХ УСЛОВИЙ НА КОНСТРУКЦИЮ Машины и сельскохозяйственные орудия, а также выполняемые ими технологические процессы отличаются от технических средств других отраслей тем, что свойства их рабочей среды и обрабатываемый материал подвергаются быстрым изменениям в очень широком диапазоне. Эта изменчивость имеет случайный характер, часто неожиданный, и вызывает огромные трудности у конструкторов. На протяжении длительного периода развития сельскохозяйственной техники специалисты пытались конструировать и выпускать машины и оборудование от которых ожидались работы хорошего качества, большая надежность функционирования в широком диапазоне переменных природных условий, т.е. практически в любых условиях. В настоящее время эта тенденция изменилась: выпускаются в основном машины со значительным количеством дополнительных приспособлений и вариантных решений, позволяющие подобрать машину для необходимых требований пользователя. Таким образом, в некотором смысле, ограничены пределы изменчивости условий к которым приспособлена машина и тем самым улучшено качество выполняемой работы а также качество производимых сельскохозяйственных продуктов. Примером может быть погрузочный картофелекопатель, выпускаемый одной из германских фирм в качестве основной машины с 10-ю вариантами систем транспортеров и других сепарирующих устройств, для выбора по желанию покупателя. Необходимо обратить внимание на огромную роль добросовестной технической консультации уделяемой сельским товаропроизводителям. Подбор соответствующего варианта машины, оптимального для покупателя это очень важная задача, потому что допущенная ошибка в будущем будет сказываться многие годы, а расходованные деньги на покупку не будут работать на благо сельскохозяйственного предприятия и повышения его эффективности. Характерной чертой значительной части сельскохозяйственных машин особенно применяемых в полевом производстве является их сезонность использования. Эти машины работают от нескольких дней до нескольких недель в течение года. С целью получения самого высокого качества работы например обработки почвы или сбора сельскохозяйственных продуктов, период работы машин ещё сокращается до периода оптимальных погодных условий или оптимальной зрелости урожая. В таких условиях ожидается от сельскохозяйственных машин полной эксплуатационной надежности в короткий агротехнический период. Авария машины и ожидание ремонта может уничтожить весь труд земледельца, который он затратил в течение года, и вызвать огромные экономические потери. Отсюда стремление конструкторов и производителей машин к применению решений и материалов высокого качества, и создание дилерско-сервисных пунктов, предоставляющих услуги самого высокого качества. Ещё недавно в комитетах государственной промышленности не обсуждались предложения по оснащению сельскохозяйственной техники современными надёжными 74
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. материалами, например, такими, как в военной промышленности. А ведь упомянутая, высокая готовность к работе в период сельскохозяйственной кампании немного отличается по своей важности от требований в области надежности боевой техники. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ ТЕХНИКА В АСПЕКТЕ ЭКОЛОГИИ Рассматривая место сельскохозяйственной техники в системе производства сельскохозяйственной продукции, необходимо обратить внимание на то, что она, как никакая другая отрасль техники, воздействует непосредственно на живые организмы - почву, растения и животных, а также на окружающую среду, в том числе на воду и воздух. К почве нужно относится, как к живому организму, который неумелыми, неответственными действиями легко можно уничтожить. Техника, к сожалению, создает ряд существенных угроз для почвы: - агротехнические приемы, выполняемые во время большого переувлажнения почвы, уничтожают ее структуру, а при слишком низких температурах ограничивают деятельность почвенных микроорганизмов; - увеличение числа проходов сельскохозяйственной техники вызывает уплотнение почвы, особенно сильно при этом страдает верхний пахотный слой, где наступает чрезмерное уплотнение. Рост плотности ведёт к уменьшению пористости; - перегрузка транспортных средств и применение более тяжелых тракторов и сельскохозяйственных машин вызывает уплотнение более глубоких слоев почвы, особенно при переувлажненном поверхностном слое, когда почти полностью теряется способность переноса нагрузок; - слишком интенсивное воздействие орудий, особенно машин для обработки почвы, вызывает распыление почвы и уничтожение ей комковатой структуры. Почва обладает большой способностью самовосстановления структуры в результате действия различных факторов; биологических, химических и физических. Однако процессы восстановления не протекают быстро, а в некоторых условиях вообще не возникают. Например, уплотнение глубоких слоев подпахотного слоя, ниже зоны промерзания может оказаться устойчивым, потому что восстановление структуры, после уплотнения, происходит вследствие переменного замерзания и оттаивания, а также увлажнения и высыхания, а эти процессы на такой глубине не происходят. Какую угрозу создают химические средства и удобрения общеизвестно, поэтому этот вопрос в статье не обсуждается. Очень чёткое влияние техники на живые организмы заметно в животноводстве. В течение многих лет ведутся исследования и наблюдения за реакциями животных на применяемые технические решения. Современная техника сигналов позволяет наблюдать поведение животных и подобрать, например, параметры стойла, габариты и форму клеток для свиноматок с поросятами и т.п., чтобы создать им наилучшие условия пребывания Жесткие правила Европейского Союза и согласованные с ними национальные требования позволяют разработать так называемый кодекс практик, а также стандарты содержания всех основных пород хозяйственных животных. Идея упомянутых правил и рекомендаций заключается в создании животным более комфортных условий пребывания. Конечно, это дорого обходится, но если можно так сказать "счастливые" животные отплачивают значительно большей продуктивностью, следовательно, приносят более высокие доходы. ТЕХНИКА И КАЧЕСТВО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРОДУКТОВ 75
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. В сельском хозяйстве, как и в каждой другой области производственной деятельности человека, целью является продажа продуктов по возможно самой большой цене. Современный рынок, особенно рынок ЕС, принимает и акцептирует товары высокого качества и всё чаще требует доказательства этого качества путем создания условий возможности проследить весь производственный процесс. Вводят так называемые процедуры ВАТ (самые лучшие доступные технологии) и НССР (анализ риска путем контроля критических точек), без которых обеспечение высокого качества сельскохозяйственных продуктов как ключевого фактора в борьбе за потребителя на рынке будет невозможно. Сельскохозяйственная техника в сочетании с современной информатикой играет в этой части системы сельскохозяйственного производства существенную роль. Плохо подобранные, несоответственным образом эксплуатационные машины и другие технические средства не в состоянии обеспечить хорошее качество сельскохозяйственных продуктов, а следовательно, достойную конкуренцию. ЧЕЛОВЕК И СРЕДА РАБОТЫ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН В современной системе сельскохозяйственного производства придается существенное значение среде, в которой приходится работать человеку. Многочисленные правовые регулировки по эргономии и безопасности труда с сельскохозяйственными машинами повлияли, в большой степени, на повышение комфорта рабочего места оператора в новом поколении машин и тракторов. Кабина водителя современного трактора или самоходной машины предохраняет его от влияния пыли и атмосферных условий, от колебаний и ушибов в случае переворота трактора и т.п. Высокий уровень применяемой электронизации и автоматизации трактора и совместно работающей с ним машины освобождает оператора в значительной степени от физического труда и психического давления связанного с вождением агрегата, наблюдением за работой рабочих узлов машины, регулировкой этих узлов, а также удержанием направления по заданному пути езды. Первые образцы самоходных машин (без обслуживающего персонала) уже показывают на выставках. Думаю, что полное замещение человека, в крайнем случае, в некоторых видах полевых работ - это вопрос недолгого времени. Уровень знаний, а это связано с возможной угрозой для здоровья операторов создаваемых и существующих сельскохозяйственных машин, является недостаточным среди потребителей сельскохозяйственной техники, и поэтому требует постоянного обучения, начиная с начальной школы. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА Обсудив значение сельскохозяйственной техники в системе устойчивого сельскохозяйственного производства, наконец, стоит обратить внимание, что, несмотря на стремление к обеспечению экологического равновесия, решающим фактором будет экономическая эффективность введения технического прогресса. По-другому говоря, необходимо провести анализ расходования денежных средств на модернизацию технического оборудования. Оценить в какой степени наступит возмещение затрат при получении более качественного продукта, увеличении производительности труда с меньшими материально энергетическими затратами. Измеритель эффективности введения прогресса можно представить зависимостью: E= 76
∆Pc ∆k
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
где (∆Pc) - прирост стоимости чистой продукции, (∆к) - прирост затрат введения новой машины. Технический прогресс в сельском хозяйстве вызывает ограничение рабочей силы, следовательно, повышает уровень замещения живого труда трудом в технических средствах производства. Таким образом удобным является показатель λpt =
∆V ∆k m
где V 2 V1 − (Э / чел.ч ) R 2 R1 V1(Э) является стоимостью продукции до усовершенствования, V2(Э) - после усовершенствования , R1(чел.-ч) производительность перед усовершенствованием, R2 (чел.-ч) - после усовершенствования. ∆V =
∆k m =
k m2
−
k m1
(Э / чел.ч) R2 R1 km1(Э) и km2(Э) -затраты ручного труда до и после усовершенствования. Таким образом, определяемый показатель эффективности технического прогресса не зависит от стоимости рабочей силы на единицу продукции, а лишь от степени технического вооружения работы, является универсальным и может служить для сравнения. ВЫВОДЫ При внедрении современной техники в сельскохозяйственное производство необходимо учитывать аспекты экологические, для того чтобы сохранить способность самовосстановления естественных ресурсов. Однако успех всех усовершенствований должен быть, прежде всего, экономически эффективный. Даже самые лучшие с точки зрения экологии решения невозможно внедрить, если они приносят материальные и денежные потери. ЛИТЕРАТУРА 1. Мichałek R., Uwarunkowania technicznej rekonstrukcji rolnictwa. Wyd. Polskie Towarzystwo Inżynierii Rolniczej, Kraków 1999. 2. Szeptycki A. Wójcicki Z. Postęp Technologiczny i nakłady energetyczne w rolnictwie do 2020 roku. Instytut Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa, 2003 3. Szeptycki A., Miejsce i rola techniki w systemie produkcji roślinnej. Wieś jutra 2004, nr 8-9. Получено 01.02.2005.
77
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Aleksander Szeptycki, DSc, IBMER, Warsaw, Poland ROLE OF TECHNIQUE IN THE SYSTEM OF SUSTAINABLE AGRICULTURE Summary Sustainable plant production may be defined as the practice, in which the growth and economic effectiveness are reached without any harm to natural resources. And besides, spending for progress implementation must be covered by growth of the value of products. Instead of maximization of yields and machine performance, in sustainable agriculture the use of natural resources is rationalized to sustain their ability to self-regeneration. Implemented are only technologies, which give growth of production and protect nature resources to leave them non-deteriorated for generations to come. Besides, sustainable agriculture must focus on integrated ecological, economical and social aspects. Agricultural machines and implements as such do not increase either crop yields or animal productivity. However, skillfully used they should create conditions, under which these biological organisms are able to demonstrate their full production abilities, and under which it is also possible to fully use the potential of applied fertilizers and chemicals. In other words, technical progress in agriculture is only one of the components of the whole progress, similarly like the progress in chemistry, biology and others. It is worth mentioning that technical progress is realized not only by introduction of new, more modern machines, but also by better, more skillful and effective use of already possessed and also new machinery. A positive feedback is also observed – the technical progress creates the need of progress in plant and animal biology, in agricultural chemistry, etc. It should be noted that agricultural machines work under difficult conditions, which change rapidly, randomly and in a very broad range of parameters values. This involves new approaches to the designing of machines. To better adapt a machine to achieve high quality of operation under different conditions, instead of designing more or less universal ones, machines are now manufactured as a basic construction with many optional, specified versions, customized for various conditions of each particular user. This gives much more flexibility and adaptability of machines to the needs of any particular farmer. Another specific feature of agricultural machines is usually short seasoning of work, which differs them from many other kinds of machinery, and which demands high reliability throughout the whole season. Any damage of the machine may annihilate physical and financial efforts of the farmer. Considering the role of agricultural engineering in the agricultural production system it should be noted that this group of technical equipment contacts directly with living organisms like animals, plants and soil, and often also influences the natural environment, i.e. water and air. In the field production the most important is the influence of the technique on soil, it’s structure, density, permeability, etc., which in some cases may cause permanent, negative effect like compaction of deep layers of subsoil. Visible is the reaction of animals on technical solutions implemented in this sector of agricultural production. EU Directives demand to introduce animal keeping standards, which would guarantee a certain level of welfare to all groups of animals. 78
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Introducing the technical progress one must also consider it’s economical effectiveness. As the measure of this effectiveness the formula may be proposed:
η=
∆V ∆k
where Δ V is the growth of product value as the result of modernization per unit of labor [USD/man-hour], Δ k is the increase of costs of modernization per unit of labor [USD/man-hour]. This index is an abstract number, independent of the cost of unit of labor, and as such easy to be compared. Summing up it should be stated that technical modernization of agriculture must be considered not only from the point of view of sustainability of production but besides, or may be even first of all, also must be economically effective.
Л.П. Кормановский, академик Россельхозакадемии, д-р техн. наук, проф. Научный руководитель МНТЦ ВИЭСХ «Техника для молока», Москва НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ИНЖЕНЕРИИ И ЭКОЛОГИИ В МОЛОЧНОМ ЖИВОТНОВОДСТВЕ В настоящее время проблема безопасности становится злободневной пред всем человечеством. В животноводстве особую тревогу вызывает проблема окружающей среды, а в молочном, в частности, - качество молочной продукции и здоровье животных. Как положительный фактор можно отметить, что за последние годы в целом по России, растет надой молока на корову. За первые три года нового тысячелетия он вырос на 700 кг и составил более трех тысяч в среднем на корову. По-прежнему правофланговой в этом выступает Ленинградская область. Здесь средний надой на корову достиг более 5000 кг, отдельные хозяйства надаивают по 7-8 тыс.кг молока на корову, добиваются высокого его качества. К сожалению, в целом по России этот подъем остается незначительным, а средняя продуктивность недостаточной и далеко не соответствующей генетическому потенциалу животных. На недопустимо низком уровне находится качество молока. Удельная доля проб молока, не отвечающая нормативам по микробиологическим показателям более 13%. От качества молока в значительной мере зависит здоровье нации, особенно детей. А для таких продуктов как детское питание, сыры, йогурты необходимо молоко высочайшего качества. Качество молока во многом зависит и от здоровья животных, их болезней маститами. Воспаление молочной железы регистрируется в среднем у 30% коров, а срок использования маточного поголовья составляет 3-4 года. Все это, несомненно, во многом зависит от технического уровня применяемых машин и оборудования, его соответствия физиологическим требованиям животных. Поэтому инженерная наука должна ставить перед собой целью разработку такой техники, которая бы не только механизировала труд, но и способствовала повышению продуктивности животных, полному использованию генетического потенциала продуктивности, сохранению их здоровья и удлинению хозяйственного срока службы маточ79
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. ного поголовья. Технические средства или механические факторы должны благоприятно влиять или взаимодействовать с биологическими объектами. Это особенно касается животноводства. Если в растениеводстве техника взаимодействует с почвой, растениями, т.е. с неодушевленными предметами, то в животноводстве технические средства взаимодействуют с живыми существами, с их самыми чувствительными органами – вымя животного, опорно-двигательный аппарат, органы пищеварения и т.д. Несовершенство техники отрицательно влияет на здоровье животного – возникают гиподинамия, прохолосты, маститы, что сказывается на качестве продукции. Самым трудоемким и ответственным в молочном животноводстве является процесс доения. К сожалению, действующие ныне доильные установки с доением в переносные ведра и в молокопровод не всегда удовлетворяют сегодняшним требованиям по повышению качества молока и обеспечению здоровья животных, то есть, требованиям биоресурсной инженерии. Действующий стеклянный молокопровод, имеющий более двухсот стыков, очень трудно промыть, практически невозможно получить молоко высшего сорта, из-за малого диаметра труб трудно доить высокопродуктивное стадо, имеют место недопустимые колебания вакуума, как в самом молокопроводе, так и под соском вымени. Как показывают исследования ряда ученых, это вызывается: во-первых, пробковым транспортированием молока в молокопроводе, зависящим от протяженности, уклонов внутреннего диаметра молочных линий; во вторых, колебаниями вакуума с максимальной амплитудой, возникающими во время подключения и надевания доильных аппаратов; в третьих – колебаниями, возникающими при подключении доильных аппаратов на других ветвях молокопровода данного и соседнего помещений. Всего этого можно избежать созданием молокопровода из цельной трубы большого диаметра из нержавеющей стали. Такая система устраняет перечисленные недостатки, она наиболее надежна в работе, легко промывается, долговечна и имеет хорошие предпосылки к распространению. Кроме этого, необходимо применять более совершенные доильные аппараты: со щадящим режимом доения, с большим объемом коллектора, с устройством учета надоенного молока и автоматическим снятием доильных стаканов, что устраняет сухое доение и снижает заболевание животных маститами. Следующее стратегическое направление – это перевод доения из стойловых помещений в доильные залы при беспривязном содержании животных или содержании их на автоматических привязях. Здесь можно достичь более высокой производительности и обеспечить получение качественного молока. Такой переход более затратный. Но многие хозяйства именно так решают эти проблемы. В настоящее время разработаны и производятся в России молокопроводы из нержавеющей стали - «елочки» на 24 скотоместа (2∗ 12) и «Параллель». В повышении качества молока большое значение принадлежит охлаждению и холодильным установкам. Здесь, очевидно, надо использовать достижения, имеющиеся в других отраслях. Искать эффективные аккумуляторы холода, новые источники энергии. Использовать естественный холод, разрабатывать новые тепло-холодильные установки. Вместе с этим очень важна модернизация имеющихся на фермах старых холодильных установок. Это позволит значительно снизить инвестиционные затраты, в хозяйствах и быстрее обеспечить их холодильной техникой. Животноводческие фермы, к сожалению, являются значительным источником загрязнения окружающей среды. Только около половины производимого навоза вносится в почву, а остальной - скапливается вокруг ферм. В настоящее время наукой и 80
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. практикой разработано большое количество технологий по переработке навоза. Это разделение на жидкую и твердую фракции, анаэробное сбраживание, производство высококонцентрированных органических удобрений типа «Фермвей» и другие. Но при всем этом хотелось бы еще раз рекомендовать технологию переработки навоза, применяемую в хозяйстве «Красногвардейский» Ленинградской области с применением в качестве подстилки измельченной соломы. Здесь вся солома закатывается в рулоны и хранится в скирдах. По мере потребности с помощью мобильного навесного измельчителя рулоны и солома измельчается и выносится в стойла. Прямо в стойловом помещении создается смесь навоза с измельченной соломой, пригодная для компостирования. Одновременно в помещении создается здоровый микроклимат. Полученный компост вывозится на поля. Не случайно в этом хозяйстве получают высокий урожай кормовых и зерновых и других культур, а также высокие надои, более 7000 кг на корову, и качественное молоко. Большое влияние на экологию и загрязнение окружающей воздушной среды оказывает неблагоприятный микроклимат внутри животноводческих помещений и вентиляционные вопросы, особенно на свинокомплексах и птицефабриках. Плохой микроклимат отрицательно влияет и на самих животных, и на обслуживающий персонал. Доказано, что молочная продуктивность уменьшается на 10-15 % , а грязное и сырое логово приводит к снижению продуктивности до 25-35% и увеличению расхода кормов на 20-33 %, резко возрастает заболеваемость коров маститами. Применение укороченных стойл, шнековых навозоуборчных транспартеров с решетками над навозными каналами обеспечивает сокращение затрат труд на очистку стойл в 2-3 раза, повышение производительности труда доярок на 20-40 % и благоприятный микроклимат в помещении. За последнее годы животноводы на практике убедились, что строительство коровников с достаточной кубатурой и вентиляционными каналами по коньку кровли также обеспечивает благоприятный микроклимат. В помещениях старой конструкции необходимы тепловентиляционные установки с очисткой вентиляционных выбросов. Определенное влияние на здоровье животных и качество продукции оказывает правильное кормление поголовья. Одной из важных составляющих здесь является механизация кормоприготовления и нормированной раздачи кормов. В настоящее время получает распространение в передовых хозяйствах каждого региона, приготовление полнорационных кормосмесей и нормированное кормление групп животных, сформированных по продуктивности. Самое главное здесь – это многофункциональное техническое средство, выполняющее одновременно пять операций - погрузчик, измельчитель, смеситель, раздатчик кормосмесей в одном агрегате – «Кормоцех на колесах» с электронным взвешиванием компонентов по заданной программе для различных по продуктивности групп животных. Такие агрегаты разработаны агроинженерной наукой, институтами: ВНИПТИМЭСХ - г. Зеленоград, СКНИЖ - г. Краснодар и другими, начинается их выпуск. Применение полнорационных кормосмесей на 15-20% повышает продуктивность животных, а по сравнению с КОРК-15 в разы снижает совокупные энергозатраты, на одну треть - затраты тяжелого ручного труда, на 70 % - капиталовложения и обеспечивает практически полную поедаемость кормов, за счет исключения выборочного поедания животными наиболее аппетитных компонентов. Одним из решающих условий эффективности животноводства и применения сложных электронных средств управления технологическими процессами является качество комбикормов, их точная наполняемость всеми необходимыми составляющими компонентами. 81
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. Зоотехнической наукой рекомендуется свыше 40 компонентов, включаемых в комбикорма. Для обеспечения точного кормления только основных видов животных, в каждом хозяйстве надо приготавливать десятки видов комбикормов. В этих условиях развитие и совершенствование точного комбикормового производства внутри хозяйств становится ключевым фактором стабилизации и повышения эффективности животноводства. Для производства полноценных комбикормов в хозяйствах необходим соответствующий комплекс точных технологий и технических средств с электронным управлением. С удовлетворением можно отметить, что институтами за последние годы разработано более 50 новых устройств и технических средств и около 20 новых способов обработки кормовых материалов в условиях хозяйств. Среди них многооперационный комбикормовый агрегат АКА-3.322 производительностью 3 т в час. Он позволяет приготовить автоматически по задаваемой программе на микропроцессоре комбикорма до 150 рецептур, включающие до 35 основных компонентов и микроэлементов для различных видов животных (коровы, молодняк КРС, свиньи, птица, овцы) в зависимости от их половозростных групп. Исключительную важность точные технологии имеют в повышении качества производимых в хозяйстве компонентов. Технология СВЧ-микронизации (нанотехнология) зерна обеспечивает декстринизацию крахмала до 55%, повышает усвояемость корма и увеличивает продуктивность животных на 18-36% при снижении расхода корма до 15%. Технология каротино-стабилизирования с помощью СВЧ-обработки витаминной травяной муки снижает потери каротина в процессе хранения в 2,4-3,6 раза. Подобные инженерные разработки способствуют повышению производительности труда, продуктивности животных и обеспечению агроэкологии в животноводстве. Получено 21.02.2005.
L.P.Kormanovsky, Academician of the Russian Academy of Agricultural Sciences, Moscow, Russia SOME ENGINEERING AND ENVIRONMENTAL ASPECTS OF ANIMAL HUSBANDRY Summary The data on milk yields and quality, and cow disease incidence on the dairy farms in the Russian Federation are quoted. Some suggestions how to improve existing dairy production practice and raise its environmental safety are offered, namely: replacement of glass milk pipelines by the metal ones with the bigger diameter; introduction of up-to-date milking equipment and devices for automatic removal of teat cups and automatic registration of milk yield; transfer to the milking in special parlors; use of natural cold for milk cooling; application of feed mixing and distributing machines, multi-function compound feed machines, microwave treatment of grain and grass-made flour; preparation of straw and manure composts, anaerobic fermentation of manure.
82
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. В.И. Черноиванов, академик Россельхозакадемии, д-р техн. наук, проф.; А.В. Колчин, канд. техн. наук; В.М. Мехлин, д-р техн. наук, проф. Всероссийский научно-исследовательский институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ), Москва ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТРАКТОРОВ И САМОХОДНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ В оценке степени совершенства изготовления и эксплуатации тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин в последние годы значимое место занимают показатели экологической безопасности их использования. Экологическая безопасность (ЭБ) машины – это свойство машины не превышать нормативных уровней всех видов вредных воздействий (при работе, обслуживании, ремонте и хранении) на обслуживающий персонал, население, растительный и животный мир, обеспечиваемое конструктивными и технологическими факторами, а также операциями ТО и ремонта в течение периода от изготовления до списания машины. Безразборный контроль показателей ЭБ машины с требуемой точностью есть экологическое диагностирование (ЭД). По аналогии с техническим диагностированием результатом ЭД является выдача заключения об экологической безопасности машины с указанием вида и причин нарушения ЭБ. Методы и средства ЭД должны быть удобны и не трудоемки для применения, должны обеспечивать контроль показателей ЭБ без разборки (или с минимальной разборкой) и быть экономически обоснованными. Экологическая диагностика – это отрасль знаний, изучающая закономерности изменения показателей ЭБ машин и разрабатывающая методы и средства их определения и оценки остаточного ресурса агрегатов машины. Основные показатели экологической безопасности тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин: - удельные выбросы СО, СН и NOX в отработавших газах (ОГ) дизельных двигателей (ДВС) тракторов или сельскохозяйственных машин согласно ГОСТ 17.2.2.05-97; - дымность ОГ дизеля (в установившемся режиме и режиме свободного ускорения) согласно ГОСТ 17.2.2.02-98 (с учетом условий эксплуатации: места с ограниченным воздухообменом и с неограниченным воздухообменом); - содержание пыли и СО в воздухе рабочей зоны оператора трактора или сельскохозяйственной машины (герметичность кабины); - утечки моторного, трансмиссионного и гидравлического масла, дизтоплива, охлаждающей жидкости; - выбросы (утечки) отработавших газов помимо выхлопной трубы трактора или сельскохозяйственной машины; - шум внутренний (в кабине водителя) и внешний, создаваемый трактором (сельскохозяйственной машиной); - вибрации на органах управления и на сиденье оператора трактора (сельскохозяйственной машины); - удельное давление на почву движителей трактора или машины (механическое воздействие движителей машин на почву, вызывающее разрушение ее структуры, ухудшение воздушного, водного и биологического режимов). Главной причиной неблагоприятного воздействия машинно-тракторного парка (МТП) на природную среду остается низкий технический уровень эксплуатируемых тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин. 83
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. Защита окружающей среды от загрязняющих и вредных воздействий тракторов и других с.х. машин актуальна для сферы эксплуатации МТП в сельском хозяйстве и содержит ряд проблем. Основными из них являются: 1. Влияние на человека загрязнений воздуха, обусловленных выбросами вредных веществ в отработавших газах (ОГ) дизелей самоходных машин. Оценка влияния загрязнения атмосферного воздуха на случаи заболеваний механизаторов показала, что вклад этого фактора воздействия в суммарную заболеваемость колеблется в зависимости от возрастной категории от 10 до 37%. Вклад широко распространенных загрязняющих атмосферный воздух веществ (пыль, оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота) в частоту обострений хронического бронхита превосходит вклад специфических вредных примесей (органические соединения, металлы) примерно в 1,6 раза, тогда как вклад последних в частоту эндокринных заболеваний – в 1,5 раза. 2. Загрязнение почвы тракторами и самоходными с.х. машинами становится серьезной проблемой. Это в первую очередь утечки топливно-смазочных материалов (загрязнение почвы нефтепродуктами); повреждение почвенного покрова движителями машин; захламление земель отходами и металлоломом и др. Загрязнение земельных ресурсов самоходными машинами приводит к гибели растительного покрова, повышенному содержанию тяжелых металлов в почве (свинец, никель, цинк и др.), а также повышает эрозию почвы. 3. Загрязнение водоемов отходами и топливно-смазочными материалами (ТСМ) от самоходной техники приводит к серьезному ухудшению условий воспроизводства рыбы, сокращению их запасов и уловов, загрязнению сельхозпродукции и др. Загрязнение вод происходит путем вымывания рассмотренных выше вредных веществ из почвы, попадания вредных веществ из воздуха и др. 4. Переуплотнение почв. Основной причиной переуплотнения почв является высокая техногенная нагрузка на почву на фоне интенсивной дегумусификации пахотного горизонта – применение тяжелых машинно-тракторных агрегатов, оказывающих недопустимое давление ходовых систем на поверхность почвы. 5. Влияние повышенного шума и вибрации на человека. Высокая шумовая нагрузка вызывает не только функциональные нарушения отдельных систем организма, но приводит к росту заболеваемости сердечно-сосудистыми, нервными и другими болезнями. Одним из путей обеспечения приемлемой экологической безопасности МТП является правильная эксплуатация машин, а также своевременное их техническое обслуживание (ТО) и ремонт с элементами контроля и восстановления параметров ЭБ. Вредные выбросы в ОГ ДВС неизбежны, но их концентрация может значительно увеличиваться с разрегулировками, неисправностями, износами деталей системы питания, цилиндропоршневой группы и газораспределительного механизма (ГРМ), а также с ухудшением качества (повышением сернистости) топлива и моторного масла. Токсичны даже исправные дизели при запуске и работе без прогрева на минимальных оборотах, с малой нагрузкой, на холостом ходу. Отсюда следует, что контроль и восстановление экологических характеристик дизелей операциями ТО и ремонта, а также обеспечением правильных режимов их работы при эксплуатации, позволяющими значительно уменьшить токсичность ОГ и удерживать ее в норме, является насущной задачей. Сегодня, ввиду перестроечных потрясений, резко снизился объем работ по техсервису и весьма слабым звеном стал контроль технического состояния машин, ток84
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. сичности ДВС в эксплуатации. А неисправные системы питания ДВС могут способствовать увеличению выбросов вредных веществ с ОГ на порядок и более. Наибольшие нарушения требований стандартов по техническому и экологическому состоянию ДВС выявлены в малых с.х. предприятиях, а также в фермерских хозяйствах, у которых минимум возможностей проводить своевременно техсервис с.-х. техники. Как показали результаты исследований ГОСНИТИ, а также зарубежных и отечественных НИИ, наиболее опасны для человека твердые частицы сажи, которые являются продуктом крекинга и неполного сгорания топлива из-за больших капель распыленного топлива и малых концентраций кислорода. В саже, помимо углерода, водорода, воды, сульфатов и кислорода содержится ряд полициклических ароматических углеводородов. Задерживаясь в организме человека, сажа вызывает аллергию и является переносчиком бенз(а)пирена. При работе дизеля на одну тонну сжигаемого топлива выбрасывается примерно 20 кг твердых частиц сажи. Доля выбросов вредных веществ в ОГ дизелей самоходных машин с каждым годом растет по ряду причин: низкое качество топлив и масел; отставание промышленности в разработке и внедрении комплекса мероприятий, снижающих выбросы вредных веществ самоходной с.х. машиной; несоответствие существующей инфраструктуры эксплуатации с.х. машин современным требованиям диагностики, контроля, технического обслуживания и ремонта; отсутствие в законодательстве положений, стимулирующих разработку и внедрение малотоксичных дизелей, средств снижения токсичности ОГ, неэтилированных бензинов и других экологически более чистых видов топлив и масел необходимого качества; отсутствие стимулов повышения культуры эксплуатации тракторов и с.х. машин. Отечественные сельскохозяйственные тракторы по техническому уровню многократно отстают от тракторов, выпускаемых зарубежными фирмами. Учитывая, что в сегодняшних условиях «дикого рынка» большая часть эксплуатируемых с.х. машин находится в технически неисправном состоянии, то с.х. трактор (как и любая самоходная с.х. машина) становится источником повышенной опасности для механизаторов и трактористов. Снижение риска травмирования механизаторов АПК относится к числу сложных проблем, решение которых лежит на стыке экономических, технических, биологических, психологических и ряда других наук, фундаментальные результаты которых использует прикладная наука охрана труда. Необходимость применения системного подхода к исследованию проблемы обеспечения безопасных условий труда механизаторов предопределяется характером технологических процессов производства продукции растениеводства, обусловливающих совместное функционирование биологического звена – ЧЕЛОВЕКА и технического средства производства – МАШИНЫ, осуществляемое в определенных условиях ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ, которая отчасти формируется природными процессами, а отчасти является продуктом производственной деятельности человека (санитарно-гигиеническое состояние на рабочих местах тракторов и комбайнов, состояние внутрихозяйственных дорог и мостов, производственных помещений и т.д.). Проведенные анализ и комплекс исследований позволили выявить влияние основных узлов и систем трактора на его экологические (Э) и топливно-экономические (ТПЭ) показатели (рис. 1), а также выявить основные причины неисправностей дизеля, влияющих на его Э и ТПЭ показатели (табл. 1). 85
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. Трактор (в целом)
Двигатель
40
%
%
30 20 10 0 1
2
3
4
5
6
7
1. Двигатель 2. Силовая передача 3. Гидроаппаратура 4. Тормоза 5. Ходовая система 6. АТЭ (автотракторное электрооборудование) 7. Вспомогательное оборудование
40 35 30 25 20 15 10 5 0 1
2
3
4
5
6
7
1. Система воздухоподачи 2. Система топливоподачи 3. ЦПГ (цилиндропоршневая группа) 4. ГРМ 5. Система смазки 6. Система охлаждения 7. Загрязненность ТСМ
Рис. 1. Влияние (в %) основных узлов и систем трактора на Э и ТПЭ показатели. В процессе эксплуатации техническое состояние тракторов и с.х. машин, как правило, ухудшается: снижаются показатели работоспособности (мощность, производительность и др.), увеличивается энергопотребление (т.е. уменьшается экономичность), ухудшаются другие параметры технического состояния, технической и экологической безопасности (дымность и токсичность отработавших газов дизеля, уровень внешнего шума и уровень шума в кабине, уровень вибрации, эффективность работы тормозной системы и рулевого управления и др.). В этой связи необходимо при эксплуатации тракторов и с.х. машин не только контролировать параметры технического состояния, экологической безопасности и ТПЭ показатели, но и управлять этими параметрами. Целенаправленные меры в этом направлении могут привести к достижению оптимального соотношения между денежными затратами на ТО и ремонт машин и обеспечением эксплуатационной надежности, ЭБ и нормативной топливной экономичности при использовании машин.
86
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Таблица 1 Основные причины неисправностей дизеля, влияющих на его экологические показатели Составная часть 1. Система воздухоподачи
Причины неисправностей - загрязненность воздухоочистителя; засоренность впускного воздушного тракта; неисправность турбокомпрессора (ТКР); негерметичность впускного тракта за ТКР 2. Система топ- пониженное давление впрыскивания; плохое качество распылиливоподачи вания топлива; подтекание форсунок; - неправильный угол начала нагнетания топлива насосом высокого давления; разрегулировки топливного насоса высокого давления (ТНВД); износ кулачкового вала; - неправильно отрегулирован корректор регулятора ТНВД; завышена цикловая подача топлива 3. ЦПГ - износ деталей ЦПГ, закокосованы (залегли) поршневые кольца Составная часть Причины неисправностей 4. ГРМ - негерметичность прилегания клапанов ГРМ к седлам из-за износа, прогара; - неправильные тепловые зазоры в клапанах ГРМ; - заедание клапанов в направляющих втулках, поломка клапанных пружин 5. Система смазки - загрязненность картера и масляной системы; уровень масла в картере; загрязненность маслозаборника и фильтров; негерметичность уплотнений и соединений 6. Система охла- негерметичность соединений и уплотнений; загрязненность раждения диатора; натяжение ремня вентилятора; уровень воды в радиаторе 7. Загрязненность - топливо с низким цетановым числом; попадание воды в топливо ТСМ и масло; загрязненность масла моторного
Проблема управления технической эксплуатацией тракторов и с.х. техники - это общенациональная комплексная проблема и включает следующие аспекты: 1. Нормативно - законодательный аспект; 2. Правовой аспект (наличие единых конструктивных, технологических и экологических решений, обеспечивающих эксплуатационную надежность, ЭБ, топливную экономичность и техническую безопасность (ТБ) любых с.х. машин). Здесь должен быть заложен главный принцип: производитель, виновный в выпуске машин, не обеспечивающих надежность, ЭБ, топливную экономичность или ТБ, обязан полностью компенсировать ущерб, в т.ч. и потенциальный, т.е. должна действовать система налогов, штрафов и компенсаций. Это закономерный подход в условиях рыночной системы, т.к. конкурентная борьба побуждает производителей с.х. техники осваивать новые технологии, в т.ч. энерго- и ресурсосберегающие. Эти мероприятия производителей должны поощряться государством через льготное налогообложение и субсидии; 3. Технологический аспект - основа обеспечения эксплуатационной надежности, оптимальной топливной экономичности, ЭБ и ТБ тракторов и с.х. машин при эксплуатации. 87
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. Поскольку степень вредного влияния тракторов и самоходных машин на окружающую среду и наносимый ими ущерб зависят от внешних условий работы, в первую очередь от чувствительности тех биологических объектов (людей, животных, растений и т.д.), с которыми они контактируют, то можно сделать выводы: • при определении требований к работам техсервиса (ремонту и ТО) самоходной машины следует учитывать условия ее эксплуатации, а это удобно осуществлять через оценку ее экологической безопасности и топливной экономичности; • чем экологически и технически опаснее машина, тем больше внимания следует уделять любым ее неисправностям. Единственно возможным путем обеспечения ЭБ и оптимальной топливной экономичности тракторов и самоходной сельскохозяйственной техники в настоящее время является комплексное решение экологических и экономических проблем, в основу которых должен быть положен эколого-экономический критерий. Сущность этого критерия состоит в оптимальном сочетании конструктивно-технологических мер при производстве и эксплуатации с.х. машины, направленных на обеспечение безопасности и минимальных вредных воздействий этой машины на окружающую среду, а также и экономических затрат на выполнение вышеуказанных мер, и применение эффективной системы платежей и штрафных санкций к изготовителю и владельцу машины за наносимый вред окружающей среде в зависимости от размеров и видов источников загрязнений. Для установления обоснованных размеров штрафных санкций стала необходимостью разработка методов и средств оперативной оценки степени экологической и технической безопасности конкретных самоходных машин. В этой связи по аналогии с зарубежными стандартами нами предложено ввести пять категорий экологической и технической безопасности тракторов и самоходных машин, в зависимости от ущерба, наносимого машиной человеку, животным и окружающей природной среде, по которым можно было бы назначать платежи, отдельно по каждой категории. При этом оценка безопасности проводится с применением как специальных средств экологического контроля, так и с возможно более полным использованием общих существующих средств ЭД и средств техсервиса по специальным методикам и технологиям. Управление ЭБ и топливной экономичностью машин – это целенаправленное изменение технического состояния агрегатов машины с помощью управляющих воздействий, ведущее к обеспечению нормативных значений ЭБ и ТПЭ показателей. Цель управления заключается в обеспечении при изготовлении, восстановлении, при ремонте и поддержании при ТО оптимального уровня ЭБ и ТПЭ, в создании условий, позволяющих уменьшить частоту их нарушений при небольших материальных и денежных издержках. Для поддержания и восстановления оптимального уровня ЭБ и ТПЭ машин используют набор управляющих воздействий (показателей), т.е. показателей, влияющих на техническое состояние составной части машины. К этим показателям относятся допускаемые и предельные отклонения параметров, межконтрольная наработка, ресурс или средняя наработка на отказ, остаточный ресурс до ремонта, срок службы машины до списания, а также суммарные издержки на ТО и ремонт. При эксплуатации управление ЭБ и ТПЭ с.х. машины осуществляется путем контроля этих показателей, назначения и проведения ремонтно-обслуживающих воздействий (РОВ), предупреждающих отказы или устраняющих последствия отказов. В 88
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. результате проведения соответствующих мероприятий восстанавливают ресурсные и функциональные параметры до уровня номинальных или близких к ним значений. Создание системы управления ЭБ и ТПЭ машин возможно прежде всего при наличии развитой нормативной базы, квалифицированного аппарата для контроля за ее соблюдением и системы оперативного экологического мониторинга. Управление экологической безопасностью и ТПЭ тракторов и самоходных с.х. машин в АПК требует внедрения как контроля этих показателей, так и внедрения технологий управления (восстановления) параметров безопасности методами и средствами ТО и ремонта. ЛИТЕРАТУРА 1. В.И. Черноиванов, Колчин А.В. Научное обеспечение экологической и технической безопасности и охраны труда при использовании сельскохозяйственной техники //Техника и оборудование для села. 2004. - № 3. 2. Ксеневич И.П. и др. Ходовая система – почва – урожай. – М.: Транспорт, 1979. 3. Ксеневич И.П. Основные направления развития с.х. мобильной энергетики. – М.: ВИМ, Материалы конференции «Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России», 1992. Получено 17.02.2005.
V.I. Chernoivanov, academician of the Russian Academy of Agricultural Sciences, A.V. Kolchin, Cand. Sc. (Eng) All-Russia Research Institute of Repair and Operation of Machine and Tractor Fleet (GosNITI), Moscow, Russia HOW TO ENSURE ENVIRONMENTALLY SAFE OPERATION OF TRACTORS AND SELF-PROPELLED AGRICULTURAL MACHINES Summary In the paper research results are presented, which were carried out by the specialists of the institute on the problem "Scientific support of ecological safety of farm machinery operation". Full scale investigations established the effect of main technical failures of tractor or farm machine units and systems on their ecological characteristics, i.e. correlations between machine technical state parameters and its environmental safety indices were revealed. This, in turn, allowed substantiating the major items of the control system for environmental safety of tractors and self-propelled farm machines operation. The basis of this control system is formed by regulatory, legal and technological aspects.
89
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. М.Н. Ерохин, академик Россельхозакадемии, д-р техн. наук, проф.; В.Н. Попов, д-р техн. наук, профессор Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина. ФОРМИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ ПРИ ПОДГОТОВКЕ АГРОИНЖЕНЕРНЫХ КАДРОВ Целью экологического образования является становление экологической культуры личности и общества, как совокупности практического и духовного опыта взаимодействия человечества с природой, обеспечивающего его выживание и развитие. Эта цель согласуется с идеалом общего воспитания всесторонне развитой личности, способной жить в гармонии с окружающей средой. Экологическая культура вбирает в себя практический и духовный опыт обеспечения выживания и социального прогресса личности и общества. Ключевую роль в достижении этой цели играет развитие экологического сознания личности. К сожалению, в общественном сознании различных слоев населения чаще всего проявляются невежество, потребительство, хищничество в отношении природной среды. Достижение цели экологического образования затруднено кризисными явлениями во всех сферах жизни нашего общества. На современном этапе развития общества резко обострилась экологическая ситуация в стране. Создается опасность для здоровья нынешнего и воспроизводства будущих поколений. Идет процесс расширения особо неблагополучных экологических зон, дальнейшее экологическое развитие которых без надлежащих мер по охране природы может привести к образованию обширных зон экологического бедствия. С учетом этого специалисты агроинженерного профиля должны обладать экологическими знаниями, понимать сущность современных проблем взаимодействия общества и природы, разбираться в причинной обусловленности негативных воздействий хозяйственной деятельности на окружающую природную среду, уметь квалифицированно оценить характер, направленность и последствия влияния конкретной деятельности человека на природу, увязывая решение производственных и технологических задач с соблюдением соответствующих природоохранных требований, вырабатывать и осуществлять научно–обоснованные решения экологических проблем. Показателем эффективности формирования экологической ответственности должны стать не только осознанность, глубина и прочность знаний, но и реальные следования экологическим нормам в профессиональной деятельности. К сожалению, сложившаяся практика формирования экологических знаний специалистов различного профиля, работающих в сельскохозяйственном производстве имеет целый ряд недостатков, основными из которых являются: - отсутствие научно-обоснованной стратегии управления экологическим образованием при подготовке и переподготовке кадров для агропромышленного комплекса; - применение недостаточно эффективных методик внедрения экологических знаний в общеобразовательные и специальные предметы; - слабая обеспеченность учебного процесса учебной и научно-методической литературой, отражающей специфику взаимодействия общества и окружающей среды в условиях совершенствования научных технологий и технического обеспечения сельскохозяйственного производства; - отсутствие системы подготовки педагогов-экологов с углубленным знанием специфики современного агропромышленного производства; 90
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. - слабая финансовая и материально-техническая база высших учебных заведений сельскохозяйственного профиля и т.п. Недостаточна экологическая направленность существующих учебных программ и планов подготовки агроинженерных кадров, которые слабо отражают специфику взаимоотношений «общество - научно-технический прогресс - окружающая среда». Решение данных проблем потребует от высшей школы разработки новой стратегии формирования образовательных программ, замены действующей в высшем сельскохозяйственном образовании биологической парадигмы на эколого-экономическую. Это позволит интегрировать знания об окружающей природной среде в предметы профессиональной подготовки специалистов и раскрыть выпускникам вузов последствия влияния сельскохозяйственной деятельности на состояние основных компонентов окружающей среды, природно-ресурсный потенциал территорий и здоровье сельского населения. В основу разработки таких программ и планов целесообразно положить теоретические основы и практические навыки по обеспечению экологически безопасного функционирования сельскохозяйственного производства в условиях техногенного загрязнения окружающей среды. Достижение новой образовательной цели будет зависеть от междисциплинарных связей и системного подхода к экологизации учебного процесса, в отличие от чисто дисциплинарного подхода, практикуемого в настоящее время. Речь идет о фундаментальном научном подходе к организации экологического образования в высших сельскохозяйственных учебных заведениях по специальностям: механизация сельского хозяйства, механизация переработки сельскохозяйственной продукции, электрификация и автоматизация сельского хозяйства, технология обслуживания и ремонта машин в АПК. Новое содержание экологического образования должно характеризоваться многопрофильностью, многоуровневостью, гибкостью, вариативностью, универсальностью, преемственностью и прогностичностью. Рассмотрим особенности формирования экологических знаний при подготовке агроинженерных кадров в Московском государственном агроинженерном университете им. В.П. Горячкина (МГАУ). Вопросы и проблемы экологии в процессе обучения инженеров изучаются непрерывно, т.е. специалисты получают непрерывное экологическое образование (рис. 1), начиная с освоения дисциплины «Биология с основами экологии» на первом курсе, затем «Теплотехника», «Безопасность жизнедеятельности», «Правоведение» и специальных дисциплин: «Технология растениеводства», «Механизация и технология животноводства», «Тракторы и автомобили», «Топливо и смазочные материалы», «Сельскохозяйственные машины» и «Эксплуатация машинно-тракторного парка»; «Технологии и технические средства в сельском хозяйстве», «Светотехника и электротехнология»; «Сельскохозяйственная техника и технологии», «Машины и оборудование для механизации технологических процессов на животноводческих фермах», «Основы проектирования и строительство перерабатывающих предприятий», «Технология хранения и переработки сельскохозяйственной продукции», «Холодильное и вентиляционное оборудование»; «Технология сельскохозяйственного производства», «Технологические машины и оборудование», «Проектирование предприятий технического сервиса».
91
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
92
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. В общей системе профессиональной подготовки будущих специалистов в МГАУ реализуется ряд мер, способствующих повышению уровня экологических знаний современного инженера, педагога, экономиста. Так, на кафедре «Экология и безопасность в ЧС», созданной в 1996 году, на базе кафедры «Гражданская оборона», осуществляется целый комплекс научных и методических работ, направленных на совершенствование профессионального образования студентов, повышения уровня экологической культуры и экологического образования. В зависимости от направления подготовки будущего специалиста, начиная со второго курса, особое внимание уделяется повышению уровня экологического образования студента, совершенствованию методов вовлечения их в научноисследовательскую деятельность как при проведении лекционных и семинарских занятий, так и при решении практических задач в процессе дипломного проектирования. Студенты не только осваивают специфику своей специальности, но и учатся оценивать влияние производственных процессов, машин и механизмов, объектов инфраструктуры на параметры окружающей среды и здоровье человека. Они приобретают навыки анализа и синтеза принимаемых инженерных решений с точки зрения экологической безопасности. Пользуясь научно-методической базой кафедры, студенты имеют возможность самостоятельно выполнить экологические расчеты, позволяющие оценить степень негативного влияния автотракторного комплекса, технологических линий, объектов инфраструктуры, отдельных машин и механизмов на окружающую среду и здоровье человека. Используются современные методики и программные средства а также унифицированные методики принятия решений в области природоохранной деятельности. Среди них следует отметить такие программные комплексы как «КЕДР», «Вода», «Отходы», «Воздух», «Экологические платежи», «Земля», «Зеркало», «Модульный ЭкоРасчет», «ЭкоЭкспертиза», «Призма-предприятие», а также модули: «Санзона», «ГАЗ», «Том ПДВ», «Норма», «Автостоянка», «Техобслуживание», «Мойка автомобилей», «Токсичность», «Аккумуляторы», «Шиноремонт», «Обкатка», «Топливная аппаратура», «Дизели», «Эксплуатация и обслуживание различных типов автотранспорта», «Эксплуатация и обслуживание различных марок автомобилей» «Животноводческие комплексы и зверофермы», «Автомагистраль», «Облако» и др. (рис. 2). Будущие специалисты овладевают навыками выполнения расчетов по экологической безопасности агропромышленного комплекса, знакомятся с нормативноправовой базой, регламентирующей проблемы природопользования и экологической безопасности. Осваивают методики комплексной оценки влияния техники и технологии сельскохозяйственного производства на параметры окружающей среды и здоровье человека. В процессе изучения дисциплины «Биология с основами экологии» будущие инженеры-механики в обязательном порядке проводят расчеты выбросов и сбросов загрязняющих веществ в окружающую среду от автотракторных двигателей, пунктов технического сервиса, сельскохозяйственных ремонтных предприятий, котельных, отдельных производственных процессов, машин и механизмов задействованных при производстве сельскохозяйственных работ.
93
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
94
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. В дипломных проектах повышенное внимание уделяется вопросам экологической безопасности технологических процессов и эксплуатации машин, механизмов и оборудования. С этой целью в разделе «Экологическая безопасность» предусмотрен не только анализ негативного воздействия агропроизводственных процессов, машин и механизмов на природную среду, но и разрабатываются пути снижения негативного влияния проектных решений на окружающую среду и здоровье человека. Работа со студентами на кафедре «Экология и безопасность в ЧС» проводится по принципу – экологическая безопасность требует от будущего специалиста кроме изучения разнообразных профессиональных и фундаментальных учебных дисциплин закрепления принципов гармоничного взаимодействия общества с окружающей средой, статистически обработать количественные данные, воспользоваться современными достижениями геоинформационных систем, провести моделирование с помощью доступных компьютерных программ. С этой целью, уже со второго курса студенты участвуют в научных кружках и конференциях. Участие в научно-исследовательской деятельности кафедры позволяет студентам и аспирантам университета приобщиться к разработке таких актуальных проектов и программ, как «Разработка и создание территориальной геоинформационной системы в административном районе», «Разработка эффективных систем управления отходами», «Информационное обеспечение экологической безопасности», «Разработка экологического паспорта сельскохозяйственного предприятия», «Совершенствование системы экологического аудита на предприятиях аграрного комплекса» и др. В связи с переходом России на международные стандарты ИСО серии 14000 «Системы управления окружающей средой», расширилась и правовая база по разработке элементов экологической безопасности и эффективной системы управления качеством окружающей среды в вузах, которые постепенно интегрируются в систему управления качеством окружающей среды всех предприятий и организаций агропромышленного комплекса России. Кроме кафедры «Экология и безопасность в ЧС» экологические знания студенты получают на профилирующих кафедрах при изучении специальных дисциплин. Рассмотрим специальные дисциплины, в которых изучаются вопросы и проблемы экологии и охраны окружающей среды. Специальность 311300 – «Механизация сельского хозяйства» (рис. 3). При изучении дисциплины «Технологии растениеводства» в соответствии с программой студент должен уметь оценивать и прогнозировать воздействие с.–х. техники и технологии возделывания культур на окружающую среду. Знать рациональное использование природных ресурсов и охраны окружающей среды в условиях интенсификации растениеводства. Изучаются проблемы сохранения и регулирования плодородия почв в процессе их интенсивного с.–х. использования, а также способы сохранения и возобновления структуры почвы. Обработка почвы во всех зонах должна быть почвозащитной, обеспечивать расширенное воспроизводство ее плодородия. В связи с этим одно из направлений совершенствования обработки с использованием тракторов и сельхозмашин – ее минимизация в целях снижения деформации пахотного и подпахотного слоев почвы. В разделе водный, воздушный, тепловой и питательный режим изучаются условия газообмена между почвой и атмосферой, охрана атмосферного воздуха, тепловой режим и характеристика тепла как экологического фактора.
95
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
96
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. При изучении сорных растений и системы мер борьбы с ними рассматриваются системы интегрированной защиты, гербициды, пестициды в технологиях производства продукции растениеводства с учетом проведения необходимых мероприятий по охране окружающей среды. Пестицид, каким бы он ни был, неизбежно вызывает глубокие изменения всей экосистемы, в которую его внедрили, многие пестициды длительно сохраняются в почве – от нескольких месяцев до 2-3 лет, а иногда и более. Даже в случае использования наименее летучих компонентов более 50% активных веществ в момент воздействия попадают в атмосферу, а затем вместе с осадками – в почву и поверхностные водоемы. Прямое воздействие на живые организмы оказывается при непосредственном опрыскивании сельскохозяйственных культур, а также при обеззараживании хранилищ и транспортных средств. Косвенное воздействие пестицидов проявляется при поступлении через корневую систему из почвы и при использовании воды, загрязненной пестицидами. Значительное внимание уделяется агротехническим основам защиты пахотных земель от эрозии с использованием различных приемов по сохранению плодородия почвы. Подробно рассматриваются вопросы применения удобрения в интенсивном земледелии, содержание агротехнических требований к их внесению с учетом мероприятий по защите окружающей среды. Дополнительное внесение минеральных удобрений нередко способствует загрязнению почв тяжелыми и токсическими металлами, которые через корм животных попадают в пищу человека. Отсюда возникает необходимость сбалансированного, умеренного применения удобрений, проведение учета накопления и определение потенциальной опасности для населения и животных нитратов и нитритов, содержащихся в водах, осадках, почве и растениях. В разделе мелиорации изучается технология проведения работ по орошению и осушению почв и системы агротехнических мероприятий по полезащитным лесонасаждениям с учетом требований охраны окружающей среды. В результате нарушения режима орошения происходит вторичное засоление почв, связанно с избыточным поливом, особенно без дренажа, в аридной зоне, при высокой минерализации грунтовых вод. В дисциплине «Механизация и технология животноводства» изучаются проблемы предотвращения загрязнения навозными стоками рек, озер, водохранилищ при соблюдении технологии уборки, удаления, переработки и хранения навоза. Бедствием для пашни стали отходы крупных ферм и животноводческих комплексов. Парадокс – навоз, извечный спутник плодородия, в неумелых руках на долгое время выводит из строя поля вблизи ферм, загрязняет водоемы. Необходимо разработать совершенные инженерные технологии утилизации отходов животноводства. Вопросы экологической безопасности при производстве продукции животноводства рассматриваются в разделе механизация доения коров и первичной обработки молока. При технологическом проектировании ферм и комплексов учитываются вопросы экологии. В дисциплине «Тракторы и автомобили» предусмотрено изучение охраны атмосферы от загрязняющих веществ, систем удаления отработавших газов, ознакомление с конструкцией и условия работы глушителей, искрогасителей и выпускных газопроводов. С отработавшими газами в атмосферу поступают угарный газ, оксиды азота, углеводороды (в том числе обладающие канцерогенными свойствами). Наибольшее количество загрязнений поступает от тракторов, автомобилей и с.-х. техники с плохо отлаженными двигателями и работающими на холостом ходу. В настоящее время разработаны и внедряются в практику приемы, снижающие и предотвращающие загрязнения от отработавших газов автотракторных двигателей. Частично загрязнения снижают, ус97
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. танавливая в двигателях тракторов и автомобилей фильтры и дожигающие устройства. Безусловно, кардинальное решение проблемы загрязнения атмосферы автомобильным и с.-х. транспортом – замена двигателей внутреннего сгорания иными. Созданы образцы газотурбинных, роторных, солнечных, электрических и др. типов двигателей. Для уменьшения содержания токсических веществ в отработавших газах двигателей в некоторых странах переходят на другие виды топлива–вместо бензина, например, применяют метан, спирт. В этой же дисциплине рассматриваются вопросы экологии человека: микроклимат, запыленность, загазованность в кабине механизатора. В дисциплине «Топливо и смазочные материалы» изучаются экологические свойства топлива, смазочных материалов и специальных жидкостей (токсичности, электролизации). Охрана окружающей среды дополнительно осваивается в дисциплине «Инженерное обеспечение экологической безопасности топливозаправочных комплексов и нефтескладов» (специализация 311307 «Топливозаправочные комплексы и нефтесклады»). Задача этого курса – изучение порядка разработки мероприятий, направленных на предотвращение попадания нефтепродуктов в окружающую среду и последствий ее загрязнения нефтепродуктами. В этой дисциплине предусмотрены разделы: нефтепродукты как источник загрязнения окружающей среды, предотвращение попадания нефтепродуктов в окружающую среду, локализация и ликвидация последствий загрязнения окружающей среды нефтепродуктами, экологические требования к обустройству нефтезаправочных комплексов и нефтескладов, методы определения содержания вредных веществ, выделяемых нефтепродуктами при транспортировании, хранении и заправки техники, экономическая эффективность и социальная значимость природоохранных мероприятий при операциях с нефтепродуктами, руководящие и нормативные документы по обеспечению экологической безопасности объектов системы нефтепродуктообеспечения. Будущие инженеры обучаются умению определять экологический ущерб от попадания нефтепродуктов в атмосферу, водную среду и почву, а также разрабатывать и осуществлять организационные и технические мероприятия по предотвращению загрязнения окружающей среды нефтепродуктами, рассчитывать и выбирать устройства для сбора нефтесодержащих ливневых вод и простейших очистных сооружений для стоков. В дисциплине «Сельскохозяйственные машины» также частично формируются навыки оценки и прогнозирования влияния с.–х. техники и технологии на окружающую среду. При изучении технологических основ механической обработки почвы, машин для посева и посадки, машин для защиты растений от вредителей и болезней рассматриваются проблемы почвозащитных технологий при возделывании с.-х. культур и охраны окружающей среды, разрушения почвенной структуры в результате чрезмерной обработки и сильного уплотнения почв тяжелыми машинами В дисциплине «Эксплуатация машинно-тракторного парка» изучение вопросов охраны окружающей среды предусмотрено в разделах: особенности использования машин и агрегатов на мелиорированных землях и при почвозащитной системе земледелия, организация и технологии технического обслуживания и диагностирования МТП, организация и технология хранения машин, обеспечения МТП топливо-смазочными и другими эксплуатационными материалами. При изучении экономических дисциплин рассматриваются вопросы проведения необходимого комплекса организационно-экономических и управленческих мер по проблемам охраны окружающей среды в сфере деятельности агроинженерных кадров. 98
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Завершается формирование экологических знаний будущих инженеров на производственной практике и при выполнении дипломных проектов, в которых предусмотрен раздел «Охрана окружающей среды». При разработке мер охраны окружающей среды в проектах описывается экологическая обстановка на предприятии и оценивается разрабатываемая тема с позиции охраны природы. Формируются предложения по совершенствованию природоохранных мероприятий, в которые входят организация безотходного производства, сокращение вредных выбросов, очистка технологических выбросов, охрана водных ресурсов и др. Для обеспечения углубленной подготовки студентов в области экологической безопасности с учетом интересов студентов и потребностей производства открыта специализация «Инженерное обеспечение экологической безопасности». Возвращаясь еще раз к проблеме формирования экологических знаний у студентов высших учебных заведений следует особо отметить, что структура и содержание экологических знаний по направлению «Агроинженерия» должны быть увязаны с особенностями сельскохозяйственного производства в современных условиях. Основными задачами при этом являются: - отражение в структуре и содержании учебных программ и планов, а также в учебниках и учебных пособиях экологической концепции устойчивого развития и совершенствования сельскохозяйственного производства, теории агроэкосистем. Для разработки типовых программ по экологической безопасности необходимо привлечь ученых и специалистов, имеющих соответствующее техническое образование с экологическим уклоном. Основной акцент в этих программах должен быть сделан на изучение взаимосвязей природной среды с техническими и технологическими проблемами, возникающими у общества в связи с интенсивным использованием природных и природно-антропогенных ландшафтов, ресурсов и технологий, вовлекаемых в сельскохозяйственный оборот. Важная роль при этом должна уделяться охране природной среды и экологической безопасности сельскохозяйственных процессов с элементами экономики и основами экологического менеджмента; - прогнозирование экологических последствий сельскохозяйственного производства для будущих поколений, с учетом все расширяющегося уровня техногенного загрязнения природной среды; - оценка воздействия предприятий промышленности, транспорта, сельского хозяйства, энергетики, инфраструктуры на параметры окружающей среды, а также на природные и сельскохозяйственные экосистемы; - разработка качественной нормативной базы по содержанию химических токсикантов и радиоактивных веществ в составе агросистем и производимой сельскохозяйственной продукции; - определение способов модернизации современных машин и механизмов, а также энергетических систем, оказывающих ущерб основным компонентам природной среды и здоровью человека; - знакомство с современными технологиями и системами ведения сельскохозяйственного производства в условиях техногенного загрязнения; - изучение способов и приемов рекультивации загрязненных территорий с целью возвращения их в сельскохозяйственный оборот; - приобретение навыков пользования данными системы агроэкологического мониторинга, оценки последствий воздействия на окружающую среду хозяйственной или иной деятельности; 99
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. - формирование экологической культуры и экологических знаний, обеспечивающих ответственный и научно-обоснованный подход при принятии решений по вопросам взаимодействия агросистем с окружающей средой. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Программы подготовки инженерных кадров предусматривают развитие экологической грамотности выпускников, освоение ими основных законов экологии, которые позволяют установить причины негативных воздействий на окружающую среду и оценить возможные последствия от эксплуатации современных технических систем. Для дальнейшего повышения уровня экологических знаний выпускников агроинженерных факультетов целесообразно осуществить комплекс мер, включая согласование школьных и вузовских программ по экологии, подготовку учебной литературы для инженерных специальностей, повышение квалификации преподавателей в области инженерной экологии, методики и оценки контроля выброса вредных веществ, экспертизы технических систем и правового регулирования природоохранной деятельности. Получено 25.05.2005.
M.N. Yerokhin, DSc (Eng), academician of Russian Academy of Agricultural Sciences, V.N.Popov, DSc (Eng), professor Moscow State Agro-Engineering University named after V.P.Goriachkin, Moscow, Russia ENVIRONMENTAL TRAINING OF AGRICULTURAL ENGINEERS Summary The programs for agro-engineering manpower training stipulate the development of students’ environmental competence, their familiarization with basic environmental laws, which would allow defining the reasons for the negative environmental impacts and estimating the possible effects of up-to-date machinery and equipment operation. For higher level of environmental knowledge of agro-engineering students a set of measures is to be implemented at the engineering faculties, including coordination of secondary school and university curricula on ecological subjects, issue of special manuals and other information materials for agricultural engineers, professional development of teachers and lecturers in the field of engineering ecology, improvement of estimation techniques and control of hazardous emissions, expert examination of machines and equipment, environmental legislation.
100
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Б. А. Рунов, академик Россельхозакадемии, д-р техн. наук, проф. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ НАУЧНОЙ РАБОТОЙ (НР) И ИННОВАЦИОННЫМ ПРОЦЕССОМ (ИП). Функции управления научной работой или инновационным процессом. Причины низкой результативности научных работ и применения инновационных технологий. Мероприятия по совершенствованию управления НР или ИП. Политика государства для ускорения научно- технического прогресса в АПК. Первое, что требует первоначального уточнения – это определить - что такое Инновационный Процесс (ИП)? Согласно принятым понятиям - Инновация- это нововведение, новшество. Процесс- это последовательное изменение, какого- либо предмета или явления. Таким образом, ИП - это последовательное изменение нововведения, новшества или введение чего-либо нового. Но прежде чем вводить что-либо новое, надо провести научную работу, после которой получить это новое и только потом его применять, использовать, внедрять. Нельзя забывать также и то, что на процесс освоения и применения что-либо нового требуется значительно больше средств, чем на саму научную работу. Подчас затрат на освоение результатов НР может быть в несколько раз больше, чем на ее проведение. Рассмотрим функции управления любой научной работой на любом уровне ее исполнения. Чтобы управлять, надо знать и соблюдать функции управления. Известно, что функциями УПРАВЛЕНИЯ являются: ПЛАНИРОВАНИЕ, ОРГАНИЗАЦИЯ, МОТИВАЦИЯ, КОНТРОЛЬ. При Планировании главное - это правильно выбрать тему и цель НР. При этом надо четко себе представлять, ЧТО: 1 - Желаем получить? 2 - Что надо иметь для достижения цели? 3 - Какими ресурсами располагаем, что есть в наличии? 4 - Какого ресурса не хватает (материального, информационного, людского, финансового, временного)? 5 - Где, как, за что, когда можно иметь (получить, добыть) недостающий ресурс? Вторая функция – Организация. При организации крайне необходимо поставить и получить ответы на нижеследующие вопросы «Кто? Что? Где? Когда? Как? Зачем? За что?» будет все это делать исполнитель. Необходимо иметь временной график. В большинстве разрабатываемых программах по управлению НР очень часто, к сожалению, нельзя найти ответов на эти семь вопросов, без которых практически трудно себе представить организацию выполнения НР или ИТ. Третья функция – это Мотивация - побуждение к действию. Методы могут быть - Материальные, моральные и прочие. Четвертая – это Учет, Контроль с использованием обратной связи. Виды и время учета и контроля могут быть - устный, письменный, регулярный, периодический, постоянный - мониторинг. Важнейшую роль при этой функции играет обратная связь. К сожалению, очень часто отсутствует мониторинг каких либо показателей с использованием обратной связи. Выполнение многих НР проводится в статическом, а не динамическом процессе. 101
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. Как отмечалось, в начальный период управления весьма важен выбор темы и цели научной работы. Очень часто многие темы, научные проблемы начинаются со слов “Разработать и создать….”и далее следуют самые различные варианты, большей частью, глобальные названий проблем или тем. Например, создать новую систему экономии ресурсов, новую систему машин, новые сорта с.х.культур и т.п. Одним словом такое название, под которое можно подвести любую ,выполненную потом, научную работу. И в тоже время может создаться впечатление, что данная научная работа, под таким названием, вроде как бы начинается с нуля. Редко проводится первоначально изучение и анализ литературы по конкретному вопросу ,который намечается изучать. Выбор темы НР исследования может исходить: по инициативе самого исполнителя, предложений сверху, предложений снизу, исходя из потребности практики. Таким образом, для успешного выполнения темы НР должна быть выбрана конечная цель работы, а ее выполнение обеспечиваться ресурсами (материальными, информационными, людскими, финансовыми, временем). Конечным результатом научной работы может быть: отчет, статья, работа в виде диссертации, опытный образец, новый сорт, новая технология. Началом выполнения любой научной работы, независимо от состояния обеспеченности НР ресурсами, должен быть обязательный обзор отечественного и мирового достижения по данной проблеме, теме. При окончании НР необходима сравнительная оценка полученного результата с отечественным и мировым уровнем с указанием, что достигнуто нового по сравнению с тем, что уже существует в стране, в мире. Без такого сравнения достигнутых результатов и показателей НР с ранее существующими открытиями, вообще трудно говорить о научном прогрессе, о полезности данной работы, о ее новизне. Из отчета должно быть ясно читателю, в чем состоит новизна результата проведенной работы. Содержание отчета по научной работе должно отвечать, установленной в мировой практике форме, а именно: тема, ее значимость, метод, методика исследования, дискуссия (если необходима), результаты работы и в чем их конкретная новизна по сравнению с существующими в мире достижениями, использованная литература. Как правило, в мировой практике составляются не только по такой форме отчеты, но и печатаются статьи и делаются краткие выступления на конференциях. Нельзя не сказать, что подобная форма содержания отчета кем- то не используется, но если и применяется то, к сожалению, очень редко. Рассмотрим, какова может быть дальнейшая судьба результатов НР? 1 - Автор или руководитель ограничиваются сообщением в отделе, на совете, в отделении академии или на научной конференции.2 - Автор печатает научную статью, статьи, защищает диссертацию. 3 - Делается сообщение среди пользователей- потребителей научных достижений.4 - Передача образца, новинки в производство для доработки, тиражирования и т.п. Каково может быть участие ученого-автора РН по использованию результатов его НР в Инновационном Процессе (применении нововведения)?. Вариантов может быть несколько. - Работа проводилась совместно с организацией (специалистом), обладающей возможностью практического использования результатов научной работы. - НР считается оконченной после отчета, защиты диссертации и дальнейшего участия автора в реализации результатов его работы нет. - Организуется работа по поиску потребителя данного новшества. 102
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. При этом быть связь автора НР с потребителями результатов науки может быть: с помощью ИКС или напрямую. Ученый может ответить на вопросы потребителя: - Где посмотреть новинку, ознакомиться с технологией, ее преимуществами? - Сколько и каких надо иметь вложений, какой срок окупаемости вложений, и какова будет эффективность от внедрения новшества? Весьма важно получить ответ- может ли ученый-автор НР участвовать в составлении бизнес-плана проекта по реализации результатов НР и сопровождать реализацию этого проекта? Как показывает зарубежная и отечественная практика доведением информации о научных законченных работах до потребителя науки, должна заниматься Информационно-Консультационная Служба-ИКС. Эта служба работает в тесном контакте с авторами НР и теми организациями или фирмами, которые будут заниматься доработкой и реализацией практического применения данного новшества. И конечно в первую очередь и с теми, кто собирается использовать результаты НР. При управлении любым процессом, в том числе управления НР или ИП большую роль играет наличие и функционирование обратной связи (feedback). Чтобы успешно управлять, принимая рациональные решения, надо иметь достаточный объем информации, получаемой из различных источников, в том числе используя постоянно обратные связи. После анализа информации, полученной при обратной связи, можно и нужно корректировать дальнейшую работу. Подчас не количество, а качество проводимых мероприятий определяет эффективность той или иной работы. Причины невыполнения федеральных и других программ, а также научных исследований, очень часто можно объяснить отсутствием обратной связи. Редко можно получить ответ на вопросы - кто, что, где, когда, как, зачем и за что исполняет конкретную программу или ведет исследование. Задает ли руководитель себе вопрос - как часто я использую обратную связь для оценки качества проводимых мною и моими подчиненными тех или иных мероприятий? Мониторинг тех или иных показателей является эффективным информационным средством для своевременной корректировки и успешного управления НР и ИП. Обратная связь, как непрерывный процесс, имеет 3 стадии: 1 - становление стандарта, норм, критерия оценки; 2 - сопоставление достигнутого с плановыми показателями; 3-анализ, закрепление, корректировка. Причины низкой результативности НР и применения ИТ следующие: 1. Из-за недостаточного финансирования Потери государства от миграции ученых, не могут быть сравнимы ни с какими другими потерями в стране. Из науки “ушли” за10-12 лет примерно 2,4 млн.чел. Эмигрировали из России свыше 1,5 млн. докторов и кандидатов наук. От “утечки мозгов” Россия ежегодно теряет около $50 млрд.дол.(акад. РАЕН В. Лисичкин – газ. Труд от 24.04.2003, с. 20). 2. Не ведутся исследования, подготовка и переподготовка специалистов по управлению наукой, своевременная замена кадров во всей цепи управления наукой. 3. Слабая интеграция науки, образования и Информационно-консультационной службы (ИКС). 103
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. 4. Результаты науки практически не докладываются потребителям науки, в той форме, которая их интересует. 5. Конференции, сессии ученых проходят часто на низком уровне (без приглашения потребителей науки, без дискуссий и т.п.). Как правило, времени для ответов на вопросы и дискуссии часто не хватает. 6. Не ведется сравнений результатов законченных научных работ с мировым и отечественным уровнем. Редко подчеркивается, в чем состоит новизна НР. 7. Слабое представление вузами и научными учреждениями законченных НР (Баз Данных) на своих веб-сайтах в Интернете. 8. Недостаточные знания иностранных языков и нехватка средств, лишает многих ученых участвовать в международных конференциях, печатать работы в иностранных журналах. 9. Слабая обратная связь научных учреждений и вузов с потребителями научных работ. 10. Мало разрабатывается наукоемких технологий. 11. Многие программы не выполняются из-за необеспеченности финансами, а часто из-за отсутствия конкретности при организации их исполнения (кто, что, где, когда, как, зачем и за что должен делать). 12. Нет программ по совершенствованию механизма ускорения передачи научных разработок потребителю. 13. Система управления наукой такова, что создает трудности организации выполнения НР коллективом ученых разных профессий из разных учреждений. 14. В проводимых конкурсах участвуют, как правило, учреждения, а не ученые. 15. Слабо используются информационные технологии при управлении и проведении научных работ Устранение этих недостатков явится совершенствованием управление НР и ИП. Политика Правительства, Сельхозорганов и Академии в области науки должна: 1. Обеспечивать научные исследования необходимыми ресурсами, строиться по региональному признаку. 2. Проводиться постоянная подготовка и переподготовка кадров по управлению наукой, своевременная возрастная сменяемость кадров на всех уровнях. 3. Создавать наукоемкие технологии с высокой адаптивностью. 4. Иметь программу по совершенствованию механизма ускорения передачи научных достижений потребителю и выявления потенциальных потребителей науки. 5. Требовать обязательное и постоянное сравнение достигнутых результатов НР с мировым уровнем. 6. Обеспечивать постоянный доступ к результатам науки потребителя научных достижений, независимо от их местонахождения. Таковы краткие соображения по совершенствованию управления научными работами и инновационными процессами, выполнение и соблюдение которых, будет способствовать научно-техническому прогрессу в АПК.
104
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. ЛИТЕРАТУРА 1. International conference on Agricultural Science and Technology.Nov.79,2001.Beijing,China. 2. Рунов Б. Аграрная политика и информационные ресурсы стран мира.(тезисы лекций).ТСХА.Москва-2004.с.44. Получено 25.05.2005. B.A.Runov, DSc (Eng), professor, Academician of the Russian Academy of Agricultural Sciences, Moscow, Russia DEVELOPMENT OF RESEARCH MANAGEMENT AND INNOVATION PROCESS Summary The paper enumerates the functions of research and innovation management. The reasons for the low efficiency of research and innovative technologies application are listed. The measures to improve research and innovation process management are offered. The state policy to accelerate the scientific and technical progress in agro-industrial complex in Russia is considered.
В.Н.Афанасьев, д-р техн. наук Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (ГНУ СЗНИИМЭСХ), Санкт-Петербург КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ СИСТЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА. Предложена концепция развития системы экологической безопасности сельскохозяйственного производства, составленная на основе анализа общероссийских концепций развития животноводства и растениеводства и включает в себя концепции отдельных элементов технологий и компонентов природной среды в виде организационных, технологических и агротехнических мероприятий. ВВЕДЕНИЕ В связи с интеграцией России в Европейское сообщество вследствие трансграничного переноса загрязняющих веществ с водными и воздушными потоками, вопросы охраны окружающей среды приобретают все большее внимание и требуют постановки и решения природоохранных вопросов во имя будущих поколений на планомерную основу, на основе концепции развития системы экологической безопасности всех направлений производственной деятельности человека.. Основой разработки концепции развития системы экологической безопасности сельскохозяйственного производства, включающей организационные, технологические и агротехнические мероприятия является анализ разработанных концепций развития животноводства и растениеводства и сложившейся к настоящему времени экологиче105
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. ской ситуации и передового опыта в сельском хозяйстве, как в России, так и в зарубежных странах. МЕТОДИКА Методология формирования концепции перспективного развития системы экологической безопасности сельского хозяйства базируется на рассмотрении технологий и технических средств производства экологически чистых продуктов питания для человека и кормов для животных, обеспечивающих нормативную сохранность основных компонентов природной среды. Информационная модель состояния экологической ситуации в сельском хозяйстве (см. рис.) включает в себя управляемые и неуправляемые факторы, факторы состояния и показатели эффективности [1]. Неуправляемые факторы - природно-климатические (количество осадков, длительность периода активной деятельности флоры и фауны; структура почв; ландшафт территории; подверженность эрозии; уплотняемость почвы); - агробиологические (виды и сорта районированных культур, породы и виды животных, подверженность болезням и вредителям, способность к накоплению и изыманию питательных веществ из почвы и др) Управляемые факторы: - уровень нормативно-законодательной базы (нормативы качества природной среды, ответственность за нарушение нормативов, требования по защите окружающей среды при использовании отходов животноводства, минеральных удобрений, пестицидов, мелиорантов, нормативы нагрузки техники на почву, концентрация отработанных газов двигателей внутреннего сгорания, степень воздействия почвообрабатывающей техники на почву, нормативы сброса очищенных стоков в открытые водоемы и др.); Неуправляемые факторы
…
Управляемые факторы
… Система экологической безопасности: формы управления, экологотехнологические нормативы, программа непрерывного агроэкологического обучения, контроль за отбором и выполнением технологий и технических средств.
Показатели эффективности: • качество природной среды; •
качество
сельскохозяйствен-
ной продукции; •
здоровье населения;
•
рентабельность производства
… Факторы состояния Информационная модель концепции развития системы экологической безопасности в сельском хозяйстве.
106
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. - уровень технологического и научно-технического обеспечения (создание новых технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции, соответствующих экологическим требованиям); - уровень контроля качества природной среды (создание системы мониторинга воды, атмосферного воздуха и почвы, создание сертификационных центров и опытных полигонов для испытания новых технологий и технических средств на экологическую безопасность; приборное обеспечение); - уровень экологической грамотности населения и сельских товаропроизводителей (наличие консультационных пунктов, постоянно действующих школ и демонстрационных объектов, функционирование постоянно-действующих семинаров). Факторы состояния: - организационно-хозяйственные (уровень обеспечения хозяйств материально техническими ресурсами, состояние технологической дисциплины, уровень организации производства); - социально-экономические (система оплаты труда, состояние системы налогообложения, наличие государственной поддержки). Показатели эффективности: - качество природной среды; - качество сельскохозяйственной продукции; - здоровье населения; - рентабельность производства экологически чистых продуктов питания для человека и кормов для животных и птицы. Показатели контроля качества компонентов природной среды Сложившаяся система сельскохозяйственного производства, применяемые технологии и технические средства их выполнения негативно влияют на качественные показатели основных компонентов природной среды: почву, водные источники, атмосферный воздух. Это в свою очередь приводит к снижению качества сельскохозяйственной продукции и уровня жизни населения. Основные показатели экологического контроля качества природной среды: - уровень плодородия почвы (потеря гумуса); - степень переуплотнения почвы (повышение массы и числа проходов агрегатов по полю); - величина водной и ветровой эрозии (несовершенные методы обработки почвы); - степень загрязнения почв (вредоносные биологические сообщества сорняков, насекомых, микроорганизмов, тяжелые металлы, кислотные дожди, солонцовые процессы, средства защиты растений и потери топлива и смазочных материалов). - степень загрязнения водных источников (животноводческие стоки, миграция тяжелых металлов, и химических мелиорантов, смыв почвы с полей). - степень загрязнения атмосферы (продукты сгорания ДВС, вентиляционные выбросы животноводческих и птицеводческих предприятий, выделения аммиака и оксидов азота из мест хранения навоза и помета, почвы и растений, шум и пыль).
107
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. РЕЗУЛЬТАТЫ Концепция повышения плодородия почвы. Разрабатываемые технологии и технические решения, направленные на повышение плодородия почвы, включают вовлечение в сельскохозяйственный биологический круговорот всех источников органического сырья, сокращение потерь элементов минерального питания и органического вещества, обеспечение максимальной окупаемости удобрений урожаем, надежную защиту окружающей среды и высокую экономическую эффективность. Основным направлением покрытия дефицита органических удобрений является резкое увеличение использования соломы и сидеральных культур. За счет ее запашки можно компенсировать до 20% потребности в органических удобрениях. Наиболее перспективной составляющей баланса органических удобрений являются сидераты. Возделывание сидеральных культур на площади около 30 млн. га, может покрыть дефицит более 700 млн. т органических удобрений и внести в почву 4-5 млн. т биологического азота [2]. Важным направлением наращивания содержания гумуса в почвах является отдых почвы под покровом трав в течение 3-4 лет, а также производство гранулированных органо-бактериальных удобрений с последующим локальным их внесения в почву. Концепция обработки почвы включает разработку и реализацию мероприятий, направленных на восстановление структуры почв. Решение проблемы заключается во внедрении рациональных схем движения агрегатов, широком применении комбинированных машин, минимальной и нулевой обработке пашни, снижение воздействия ходовой части сельскохозяйственных агрегатов на почву путем применения уширенных колес, шин сверхнизкого и нулевого давления, резинометаллических гусениц для гусеничных движителей [3]. Для реализации указанных мероприятий в среднесрочной перспективе планируется освоение минимальной обработки почвы на 40-50% пахотных площадей с применением комбинированных агрегатов, в том числе с совмещением операций безотвальной плоскорезной, поверхностной обработки и чизелевания. Концепция защиты почвы от загрязнения. Она определяется разработкой и реализацией введения земледелия с применением только органических удобрений; установлением предельного уровня плотности поголовья скота; ограничением использования минеральных удобрений и введение на них экологического налога; расширением площади земель под осенним и зимним «зеленым покровом»; снижением поступления в почву смазочных материалов, топлива и рабочих жидкостей. Важное значение приобретет ужесточение контроля за использованием средств защиты растений путем обязательной подготовки специалистов по использованию пестицидов; усиленного контроля за остатками пестицидов в окружающей среде и сельскохозяйственной продукции; введения экологического налога на использование пестицидов; создания и освоение производства машин для мало- и ультрамалообъемного опрыскивания, автоматизированных систем контроля и управления расходом рабочей жидкости. Защита подземных вод и открытых водных источников будет существенно усилена путем установления обязательных норм максимального содержания нитратов в подземных водах; модернизации и расширения мощностей по хранению навоза с целью увеличения срока его хранения до 6 – 10 месяцев; сезонного ограничения использования навоза; запрещения сброса навозосодержащих сточных вод доильных площадок, сточных вод производственных и бытовых помещений в навозохранилища, на рельеф местности и в мелиоративную систему. 108
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Защита атмосферного воздуха. Меры, применяемые для уменьшения загрязнения воздуха, прежде всего, направлены на значительное сокращение выделения в окружающую среду аммиака путем совершенствования методики проектирования систем микроклимата; разработки и принятия нормативов выбросов вредных веществ из помещений; перехода к применению замкнутых систем микроклимата за счет использования биологической теплоты животных, с применением элементов осушки, очистки и дезодорации воздуха; разработки высокоэффективных технических средств микроклимата животноводческих помещений модульного типа с управлением на базе микропроцессорной техники [4]. Важным мероприятием уменьшения загрязнения воздуха от двигателей внутреннего сгорания является применение нейтрализаторов выхлопных газов бензиновых и дизельных двигателей. Перспективным направлением уменьшения выбросов токсичных газов в сельскохозяйственном производстве является широкое применение возобновляемых источников энергии, а также применение газомоторного топлива в мобильной сельскохозяйственной энергетике. Все это обеспечит многократное снижение токсичности по основным контролируемым параметрам: окиси углерода (СО), окислам азота (NхO), углеводородам (СН). Концепция развития систем обработка навоза предусматривает применение технологий и технических средств обработки исходного навоза и помета, обеспечивающих длительное безопасное хранение, полную сохранность физической массы и питательных веществ, а также более полное усвоение питательных веществ растениями при внесении удобрений в почву [4]. Концепция включает рекомендации по применению в ближайшие 10-15 лет основных технологий утилизации навоза, предусматривающих, как правило, ферментативную обработку и внесение в почву локально или в разброс. Особое внимание будет обращено на разработку технологий и технических средств для производства органических и органоминеральных удобрений с программированными свойствами. Концепция внесение органических и минеральных удобрений в почву включает разработку: высокоэффективных технологий и технических средств, исключающих загрязнение окружающей среды, получение экологически безопасных продуктов питания для человека и кормов для животных; полной защиты механизаторов от воздействия применяемых средств химизации и обеспечивающих высокую точность дозирования и распределения удобрений и средств защиты растений с помощью автоматизированными системами контроля заданной дозы с учетом ширины захвата, скорости движения агрегата и других параметров технологического процесса [2]. Особое внимание будет уделено разработке информационных технологий и созданию технических средств для дифференцированного внесения удобрений и химических средств защиты растений. Первоочередной разработке подлежит создание технических агрегатов для дифференцированного локального внесения минеральных и органических удобрений при возделывании зерновых и пропашных культур, оборудованных системами навигации, позволяющими определять координаты их на поле.
109
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. ВЫВОДЫ Совершенствование технологий утилизации навоза в направлении более полного использования физической массы и питательных элементов навоза и помета позволит к концу прогнозируемого периода примерно в 2 раза снизить загрязнение водных источников. Ожидается также значительное сокращение (до 30% в среднесрочном плане) выделения в окружающую среду аммиака путем снижения выброса вредных веществ вентиляционными системами из животноводческих помещений, а также сведения к минимуму периода между разбрасыванием и заделкой навоза и запрету сжигания соломы. Рост применения сидератов и парование полей стабилизирует, а затем повысит содержания гумуса на 5-8% и биологическую активность почв на 30-50%. Применение передовых технологий переработки и использования навоза, а также высокоэффективных средств механизации обеспечит поддержание бездефицитного баланса гумуса в почвах и за счет более полного внесения удобрений и сохранности органических и питательных веществ, повышение урожайности сельскохозяйственных культур до 50%, сокращение объема транспортных затрат на 30-40%, снижение расхода питьевой воды на фермах на 20-30%. Нейтрализация выхлопных газов бензиновых и дизельных двигателей позволит снизить содержание в выхлопных газах СН до 80%, СО и СО2-до 90%. Применение возобновляемых источников энергии и газомоторного топлива в мобильной сельскохозяйственной энергетике обеспечит снижение токсичности в выбросах по основным контролируемым параметрам: окиси углерода (СО) в 3-4 раза, окислам азота (NхO) в 1,2-2,0 раза, углеводородам (СН) в 1,2-1,4 раза. Расчеты показывают, что в денежном выражении предотвращенный экологический ущерб составит не менее 15 млрд. руб., страна получит дополнительной продукции не менее 18 млн. т в пересчете на зерно. ЛИТЕРАТУРА 1. Концепция «Воздействие техногенеза на сферу агропромышленного производства, ее охраны от техногенных воздействий и проблемы производства экологически чистой продукции». – М.: РАСХН, 2002. 2. Личман Г.И., Марченко Н.М. Механика и технологические процессы применения органических удобрений.-М.: ВИМ, 2001. 3. Стратегия машино-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России на период до 2010 года М.;ВИМ,2003 64 с. 4. Концепция развития механизации и автоматизации процессов в животноводстве на период до 2015 года. ВНИИМЖ, Подольск 2003 100 с. Получено 11.02.2005.
110
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
V. N. Afanasiev, DSc (Eng) North-West Research Institute of Agricultural Engineering and Electrification, St-Petersburg, Russia DEVELOPMENT STRATEGY FOR ENVIRONMENTAL SAFETY OF FARMING Summary The strategy for improving the system of environmental safety of agricultural production has been elaborated on the basis of analysis of All-Russia programs of plant and livestock production development. It includes organizational, technological and field management activities. The methodology of its designing is based on the information model of environmental state of farming with due account for controlled and uncontrolled factors, status factors and efficiency indices, as well as analysis of technologies and machines for ecologically clean food-stuffs and feeds production. The strategy includes the conceptions for separate technology elements and natural environment components. The concept of soil fertility improvement defines the requirements of soils in organic fertilizers which could be covered by the drastic increase in straw and ciderates (green manure) use, that might close the gap of 700-plus million tons of fertilizers. Soil tillage concept includes the activities aimed at soil texture recovery by minimum soil tillage introduced on from 40 to 50% of arable land. The concept of soil pollution control stipulates the lower animal density; reduced mineral fertilizers application, enlarging the areas under green cover, eliminating the spillage of oils and lubricants, more tight control over plant protection chemicals application. Underground and surface water sources protection will be improved by establishing the strict norms of nitrates content in the ground water, by enlarging and improving manure storing facilities for 6 to 10 months period, seasonal restriction of field manure application, banning of earthen storing facilities use. Atmospheric air protection will be aimed at improving the design methods of ventilation systems, introducing the strict emission norms of hazardous substances, primarily ammonia, from livestock houses, introducing climate control close loops with the exhaust air drying, cleaning and deodorizing systems. Manure treatment concept envisages the application of techniques and equipment for animal and poultry manure treatment and processing, which would ensure the safe long storing, the preservation of physical mass and nutrients and better uptake of nutrients by the plants. The concept pf organic and mineral fertilization includes the development of highly effective practices and equipment, which would avoid natural environment pollution and provide precise dosing and field distribution of fertilizers and plant protection chemicals via automated control systems. Estimated prevented ecological damage owing to the implemented above concepts will amount to no less than 15 billion roubles; no less than 18 million tons of additional products in terms of grain will be produced.
111
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. И.П. Ксеневич, д-р техн. наук, проф., академик РАСХН; А.А.Соловейчик; Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства (ВИМ), Москва Н.М. Орлов, канд. техн. наук Всероссийский институт сельскохозяйственного машиностроения (ВИСХОМ), Москва В.Г. Шевцов, канд. техн. наук Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства (ВИМ), Москва ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ МОБИЛЬНЫХ МАШИННО-ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ С СОВМЕЩЕНИЕМ ФУНКЦИЙ РАБОЧЕЙ МАШИНЫ И ДВИЖИТЕЛЯ В основе тяговой концепции агрегатов лежит использование веса энергосредства для создания требуемого тягового усилия. Удельный вес трактора в машиннотракторном агрегате (МТА) составляет по массе около 70%, а по цене – 80%. С ростом мощности энергосредства наблюдается устойчивая тенденция к росту материалоёмкости как трактора, так и агрегата в целом. Вместе с тем, важнейшим фактором снижения затрат в производстве и эксплуатации агрегатов в условиях возрастающего дефицита ресурсов является материалоемкость машин – расход материальных ресурсов на изготовление, эксплуатацию и ремонт машин. При сохранении тяговой концепции трактора необходимо решать задачу уменьшения веса последнего при одновременном снижении до экологически безопасной величины буксования его движителей. Это требует проведения работ по созданию новых типов движителей, в т.ч. использующих реактивную силу активных рабочих органов. Основная и предпосевная обработка почвы составляют наиболее значительную часть в общем балансе энергозатрат на выполнение производственных процессов в полеводстве. Выполнение операций почвообработки агрегатами тяговой концепции сопровождается значительным буксованием движителей, особенно колесных, т.к. зона максимального тягового кпд трактора соответствует зоне высокого буксования ходовой системы. Значительное буксование движителей вызывает перерасход топлива, приводит к перетиранию почвы и, как следствие, к снижению ее плодородия, а также к выбросу в атмосферу вредных веществ в виде резиновой пыли [1]. Наиболее распространенным способом механической обработки является вспашка отвальными (лемешными) плугами. Однако после вспашки почва не готова для посева сельскохозяйственных культур, вследствие недостаточной степени рыхления пласта, перемешивания его слоев, выравненности поверхности поля и других факторов. Поэтому для улучшения качества обработки при подготовке почвы под посев проводятся дополнительные операции – дискование, культивация, боронование и т.д. Многократные проходы МТА по полю, помимо увеличения расхода топлива, вызывают дополнительное уплотнение почвы ходовыми системами агрегатов, снижая урожайность сельскохозяйственных культур [2]. Отметим также, что при вспашке лемешными плугами образуется уплотненная поверхность, называемая «плужной подошвой», препятствующая перемещению питательных веществ в почве.
112
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Существует большое количество типов рабочих машин, использующих для создания движущего усилия реакцию почвы при ее обработке (машины с цепными носителями плужных отвалов, дисковые, шнековые и др.) [3]. Однако математическое описание условий обеспечения заданных показателей качества технологического процесса при эффективной реализации рабочими органами функции движителей до сих пор не создана. Анализ показал, что по простоте конструкции, удобству практической реализации и совершенству рабочего процесса предпочтение следует отдать фрезерным машинам прямого вращения (по ходу агрегата)2 с горизонтальной осью, расположенной поперек направления движения МТА. Значительные достижения в создании стыковочных систем [4] делают возможным создание агрегата, у которого почвенная фреза-движитель с технологическими колесами размещена на месте заднего моста с ведущими колесами. Предварительная проработка вопроса показала, что использование съемного моста на тракторе типа «Беларус – 1221» дает снижение массы, перемещаемой по полю, на 1300 кг. Ротор фрезерной машины состоит из дисков шириной b , насаженных на его ось. На дисках крепятся ротационные ножи, в большинстве случаев Г -образного типа. За один проход Г -образный нож отрезает стружку высотой a , где a = aф - глубина обработки (фрезерования) (рис. 1). При этом поверхность резания стружки можно разделить на лобовую, шириной b и боковую, шириной S . Равнодействующая F сил реакции почвы, приложенная к ротационному ножу, отклонена на угол ψ , от касательной к окружности ротора, проведенной через режущую кромку ротационного ножа (рис. 2). Из рисунка следует, что при прямом вращении ротора горизонтальная составляющая реактивной силы Fx направлена по ходу агрегата, т.е. является движущей. Вертикальная составляющая FZ направлена вверх и способствует выглублению ротора. Окружное усилие ротора Fокр связано с равнодействующей силой F соотношением: Fокр = F cos ψ . (1) Составляющие равнодействующей могут быть определены по формулам (рис. 2): Fx = F sin γ ; Fz = F cos γ , (2) где γ = α + ψ ; α - угол поворота ротационного ножа, отсчитываемый от горизонтали. Точку приложения равнодействующей силы F следует брать на расстоянии 0,5a борозды, а угол ψ = 15о для острых ножей [5, c.148]. Тогда 0,5a ф , (3) α = arcsin 1 − R где: R – радиус ротора (режущих кромок ротационных ножей).
2
Фрезы обратного вращения создают тормозящую силу.
113
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
v
Fx Fz Fокр Рис.1. Основные размеры Рис. 2. Силы, действующие на ротационстружки ный нож С учетом выражений (1) и (2) толкающее усилие ротора может быть определено через окружную силу: F sin γ Fx = o (4) cos ψ Используя полученное выражение, можно найти соотношение между горизонтальной составляющей реактивной мощности Р х и мощностью, подведённой к ротору: Используя соотношения между силами Fо и Fx (4), найдем: Рo k ϕ Px = Fx v п = , (5) λ v cos ψ где λ = o - кинематический параметр ротационной машины; k ϕ = - коsin γ vп эффициент; v o - окружная скорость ротора; v п - поступательная скорость агрегата;. При заданной номинальной мощности двигателя Рн потребная мощность определяется по формуле: Pe = η −н1 Рo + ξРн , (6) где ηн - нагрузочный кпд трансмиссии, принимаемый постоянным; ξ - отнесенные к номинальной мощности потери холостого хода (0.03..0.05) [6].
114
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. На стадии проектирования номинальная мощность определяется исходя из потребной мощности и допустимого коэффициента загрузки двигателя - Рн = Pe / k ид. м . Тогда: Po k ид. м , (7) Pe = η н (k ид. м − ξ) где k ид. м - допустимый коэффициент использования мощности двигателя (0,85…0,95) [6]. На основании рациональной формулы акад. В.П. Горячкина для плугов проф. А.Д. Далин предложил выражение для определения мощности фрезерования [7]: Pф = Ро = aф bф v K p + K отб v 2рез , (8)
(
)
где K p и K отб - коэффициенты удельного сопротивления соответственно резанию (Па) и отбрасыванию ( Н⋅ с 2 / м 4 ) почвы; v рез - скорость резания (абсолютная скорость режущей кромки ротационного ножа), м/с; bф - ширина захвата фрезы. Величина в скобках представляет собой удельную энергоемкость (Дж/м3) процесса фрезерования почвы: Еф . уд = K p + K отб v 2рез = Е р. уд + Еотб. уд. (9) Одновременно величины Еф. уд , Е р. уд и Еотб. уд могут трактоваться как удельные сопротивления (Па) соответственно фрезерованию, резанию и отбрасыванию почвы. Надо сказать, что экспериментальные исследования величин K p и K отб немногочисленны, носят разноплановый, фрагментарный характер, а различные источники зачастую противоречат друг другу. Важным достоинством любой математической модели является использование минимально необходимого количества параметров для описания процесса. Это может быть достигнуто, например, путём установления связи между входными параметрами модели. Так, на основании анализа экспериментальных данных [6, c.249], получено линейное уравнение регрессии (коэффициент корреляции r = 0,92) , связывающее величины K p и K отб (рис. 3): K отб = 0.009 K p + 0.32 (10) Другой эффективный путь снижения неопределенности в выборе исходных данных – установление функциональных зависимостей между показателями и режимами работы машины. Важнейшим, можно сказать главным, параметром фрезерной машины является подача на нож S , определяющая степень крошения почвы, скорость резания, энергоемкость процесса и т.д. Соотношение, связывающее подачу S с кинематическим параметром λ , радиусом R и количеством ротационных ножей n имеет вид [8, с. 242] 2πR S= . (11) λn Экспериментальными исследованиями установлено, что коэффициент сопротивления резанию K p зависит от скорости резания v рез и, в особенности, от подачи S . На основании гипотезы Риттингера, состоящей в том, что работа, необходимая для из-
115
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. мельчения материала, пропорциональна поверхности, образованной при измельчении проф. А.Д. Далин установил гиперболический характер зависимости K p (S ) [9, c.148]: C C = const . , (12) S Очевидно, что сопротивление резанию почвы зависит от площади обрабатываемой поверхности. Поэтому поправочный коэффициент А + Абок k п. уд = лоб , (13) V предложенный в монографии [10], равный отношению площади резания стружки (состоящей из лобовой и боковой поверхностей) к её объему, согласующийся с гипотезой Риттингера, представляется наиболее обоснованным. С учетом изложенного представим удельную работу резания в виде Е р. уд = K p = k pl k vp k п. уд , (14) Kp =
где k pl - коэффициент пропорциональности (кН/м) («линейный»3 ( l ) удельный коэффициент сопротивления), характеризующий физико-механические свойства обрабатываемого материала и зависящий от конструкции рабочего органа и состояния режущих кромок.
Kотб, кНс2/м4
Kp, кПа Рис. 3. К построению уравнения регрессии, связывающего коэффициенты сопротивления резанию и отбрасыванию почвы: ○ - при установке рыхлящих лап впереди ротора; □ – без предварительного рыхления почвы 3
Предложенное название связано с размерностью коэффициента - кН/м.
116
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Безразмерный коэффициент kvp , характеризующий влияние скорости резания на сопротивление резанию, представим в виде линейной функции: kvp = 1 + ε vp v рез − v oрез , (15)
(
)
где v oрез - «базовая» скорость резания (3..5 м/с), ε vp - коэффициент прироста сопротивления по скорости(0,04…0,5 с/м). Скорость резания почвы определим по формуле: v рез = v 1 − 2λ sin α + λ2 ,
(16)
где α - угол, соответствующий точке приложения равнодействующей сил реакции почвы, вычисляемый по формуле (3). Обратимся к вычислению коэффициента k п. уд (13). Лобовая поверхность резания равна Алоб = l p b , где b - ширина ножа (стружки). Длина резания l p определяется по формуле [8, c.249] α
R 2 l p = ∫ 1 − 2λ sin α + λ2 dα . λ α1
(17)
Угол α1 , соответствующий началу погружения ножа в почву (точка N , рис. 4) равен
α1 = arcsin (1 − aф / R ) .
(18)
Угол α 2 , соответствующий окончанию процесса резания (точка А, рис. 4) определяется по формуле:4 α 2 = π − arcsin (1 − hг / R ) , (19) где hг - высота гребня, определяемая точкой пересечения соседних циклоид (рис. 4). Боковая поверхность резания определяется как разность площадей Абок = NOKM − 2 ⋅ APO = Saф − 2 ⋅ APO . (20) Учитывая, что нижней точке циклоиды O соответствует поворот ножа на угол α = π / 2 (рис. 4), площадь криволинейного треугольника АРО равна: π/2 d APO = ∫ z ( α) x(α)dα . (21) dα α2 Траектория рабочего органа представляет собой удлиненную циклоиду ( λ > 1 ), описываемую в параметрическом виде системой уравнения [9, c.239]. α x = R + cos α (22) λ . z = R(1 − sin α ) Используя уравнения траектории, интеграл (21) нетрудно вычислить в явном виде. Однако применение современных математических пакетов типа Mathcad, делает это нецелесообразным, т.к. проще воспользоваться исходной формулой. Аналогичное замечание можно сделать по поводу интеграла (17), который обычно рекомендуется выПриведенная в [8, c.250] формула для вычисления α 2 , не совпадает с (21), так как является приближенной и, кроме того, избыточной по параметрам. 4
117
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. числять по приближенным формулам путем разложения подынтегральной функции в ряд [5, c.147]. В этом случае, помимо простоты, утрачивается также точность.
Рис. 4. Траектория ротационного ножа Вычислив объем стружки по формуле: V = Абокb , запишем выражение удельной площади резания (15) в виде: l pb + Абок lp 1 k п. уд = = + . Абокb Абок b Сила сопротивления качению агрегата F f определяется по формуле: F f = f on k v (v п )(G a − Fz ) ,
(23) (24)
(25)
где Ga - вес агрегата; f on - коэффициент качения; Fz - выталкивающая (выглубляющая) сила ротора; k v (v п ) - поправочный коэффициент влияния скорости движения на сопротивление качению агрегата, по структуре аналогичный коэффициенту kvp (15). Толкающее усилие ротора Fx расходуется на преодоление силы сопротивления качению F f и сил сопротивления пассивных (п) рабочих органов, расположенных впереди (пп) и (или) сзади (пз) ротора: Fx = F f + Fx. п = F f + Fx. nп + Fx. пз . (26) Характерной особенностью ротационных машин является влияние расположения пассивных рабочих органов относительно ротора-движителя на энергоемкость фрезерования. Если пассивные рабочие органы расположены сзади ротора, то это никак не может повлиять на энергоемкость процесса фрезерования. Они могут только снизить толкающее усилие ротора, до уровня, задаваемого условием (26). Вертикальная состав118
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
ляющая силы сопротивления Fz . пз , направленная, как правило, вниз, помогает компенсировать выталкивающую силу ротора. Пассивные рабочие органы (например, культиваторные лапы) установленные впереди ротора, выполняют те же функции. Однако, помимо этого, они, разрыхляя почву перед ротором, существенно снижают сопротивление резанию почвы. Поэтому в выражение энергоемкости процесса резания почвы(16) необходимо ввести дополнительный поправочный коэффициент (точнее функцию) k r , учитывающий эффект предварительного рыхления почвы: E р. уд = K p = k pl k v k п. уд k r . (27) На основании экспериментальных исследований [8, c.272], аргументом поправочной функции предложено принять коэффициент полноты рыхления k np , равный отношению площадей поперечного сечения обработанных слоев почвы лапами и ротором. Там же приведены 4 опыта по определению удельного сопротивления резанию K p для двух крайних значений коэффициента k np - нуля и единицы. Естественно, эмпирическое уравнение, полученное на основе этих данных, не может быть выше первого порядка. В связи с тем, что при увеличении коэффициента полноты рыхления, его влияние на сопротивление резанию будет уменьшаться, с известным нарушением строгости, можно записать: k r (k np ) = exp( −µk np ) , k np < 1,1 (28) Коэффициент µ , определенный по граничным значениям k np (0 и 1), равен 0,635. Тогда k r (1) = 0,53, т.е. при коэффициенте предварительного рыхления, равном единице, удельная энергоёмкость резания уменьшается почти в 2 раза. Будем полагать, что увеличение величины k np свыше 1,1 не приводит к дальнейшему уменьшению поправочного коэффициента k r (рис. 5).
Рис. 5. К определению поправочного коэффициента, учитывающего предварительное рыхление почвы
119
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Графики зависимостей показателей агрегатов с фрезерными машинами – движителями от величины подачи на нож S и скорости поступательного движения v п , при расположении пассивных рабочих органов впереди (сплошные линии) и сзади (пунктирные линии), приведены на рис. 6-11. Кривые построены при значениях коэффициента сопротивления5 k p = 6 кН/м, глубины обработки aф = 0,3 м, числа ножей n = 3 и радиуса ротора R = 0,4 м. Предварительное рыхление почвы культиваторными лапами существенно снижает удельную энергоемкость фрезерования Еф. уд (рис.5 и 6). При больших подачах, величина Еф. уд становится сопоставимой с энергоемкостью вспашки лемешным плугом среднетяжелых почв – 50-70 кПа (кДж/м3) [5, c. 117]. Протекание зависимости удельной энергоемкости от скорости движения агрегата для двух вариантов расположения рабочих органов отличаются темпом их нарастания, причем в варианте с предварительным рыхлением он более медленный. В обоих вариантах имеет место существенное влияние величины подачи на нож на удельную энергоемкость, особенно, в области малых значений S . Следует иметь в виду, что коэффициент полноты рыхления, определяющий энергоемкость фрезерования, не может задаваться произвольно. Он определяется путём решения уравнений силового и энергетического баланса, при заданном удельном линейном сопротивлении культиваторных лап k л l . уд = k л (а л ) (Н/м), где а л = k np а ф - глубина установки лап. Функциональная зависимость зачастую представляется в линейном виде - k л (а л ) = k л . уд a л , где k л . уд - удельное сопротивление лап (Па) Ширина захвата фрезы входит в уравнения её математической модели в качестве постоянного множителя. Поэтому некоторые силовые и энергетические показатели удобно использовать в виде удельных величин, отнесенных к 1 м ширины захвата ротора. Выталкивающее усилие ротора также может достигать достаточно больших значений (рис. 8), что способствует уменьшению затрат энергии на качение агрегата. Одним из основных параметров проектируемого агрегата является потребная мощность двигателя. Применение ротационных движителей позволяет, как видно из рисунка 9, создавать агрегаты большой единичной мощности в малых габаритах. Большое значение имеет правильный выбор круга выполняемых операций, которые могут значительно отличаться по величине подачи на нож S (например, работа в режиме вспашки и фрезерования), оказывающей доминирующее влияние на величину потребной мощности двигателя.
5
Значение линейного коэффициента сопротивления почвы k p принято в середине интервала рекомендуемых
значений - 5…7 кН/м [10, c.110].
120
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Eф.уд, кДж/м3
0,10
0,15 0,20
0,25
При S, м: vп, м/с
Рис. 6. Зависимость удельной энергоемкости фрезерования почвы от величины подачи на нож и поступательной скорости агрегата.
Рис. 7. Зависимость удельной толкающей силы ротора от величины подачи на нож и поступательной скорости агрегата. 121
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Рис. 8. Зависимость удельного выталкивающего усилия ротора от величины подачи на нож и поступательной скорости агрегата Удельная энергоёмкость фрезерования почвы Eф . уд (отнесенная к 1 м3 обрабатываемого материала) является важным, но недостаточным критерием оценки энергопотребления. Ограниченность применения этого показателя обусловлена тем, что различные агрегаты проводят обработку почвы на разную глубину. В одном агрегате, например, фрезерном, рыхлящие лапы и ротор устанавливаются на разные глубины обработки, определяемые коэффициентом полноты рыхления. В этом случае возникает необходимость при определении энергоемкости процессов в технологической части агрегата Е тех. уд , включающей активные и пассивные рабочие органы, введение эквивалентной (приведенной) глубины обработки. Показателем энергоемкости выполнения основного технологического процесса можно считать расход топлива, отнесенный к чистой (теоретической) производительности (рис. 10) G q0 = т (кг/га), (29) W0 где Gт = g eд Pe - часовой расход топлива (кг/ч); g eд - удельный расход топлива (кг/кВт ч), соответствующий допустимому коэффициенту использования мощности двигателя; W0 = 0,36 bф v - чистая производительность агрегата (га/ч). Известно, что классификация почв по трудности механической обработки построена по величине удельного сопротивления при вспашке лемешными плугами 122
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
k лп. уд [5, c. 117]. Применительно к ротационным машинам влияние линейного удельного коэффициента сопротивления почвы k p на потребную величину мощности показано на (рис. 10). Как и ранее, расчеты проводились для двух вариантов расположения пассивных рабочих органов относительно ротора. Приняты следующие значения исходных данных: поступательная скорость v = 1,5 м/с. подача на нож S = 0,25 м, глубина обработки 0,3 м. Удельное сопротивления культиваторных лап принято пропорциональным k p .
Рис. 9. Зависимость потребной удельной мощности двигателя фрезоагрегата от величины подачи на нож и скорости агрегата При постоянной скорости v величина удельного расхода топлива q0 пропорциональна потребной удельной мощности двигателя (на метр ширины захвата ротора): g eд ( Pe / bф ) q0 = . (30) 0,36v Производительность агрегата в час сменного времени Wсм и погектарный расход топлива q определяются по формулам: Wсм = W0 τ см ; (31) q=
Q0T0 + QповТ пов + QперТ пер + QостТ ост
, (32) Wсм где Q0 , T0 ; Qпов , Т пов ; Qпер , Т пер ; Qост , Т ост - расход топлива и затраты времени в час в течение смены, соответственно на основной работе, на поворотах, переездах и на остановках агрегата. 123
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. Методики расчета составляющих времени смены и коэффициента использования времени смены τ см с достаточной полнотой приведены в литературе [12] и здесь не рассматриваются. Обобщающим показателем энергоемкости процессов, учитывающим количество энергии, переносимой массой агрегата на единицу работы могут служить энергетические затраты Е (МДж/га) при выполнении технологического процесса на единицу площади [13]: Е + Ет + Е м Е = Еп + ж , (33) Wсм где Е п - прямые затраты энергии, выраженные расходом топлива, МДж/га; Е ж энергетические затраты живого труда МДж/ч; Е м Е т - энергоемкость соответственно машин и энергетических средств, МДж/ч.
Рис. 10. Влияние величины подачи на нож и поступательной скорости фрезоагрегата на расход топлива, отнесенный к чистой производительности
124
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Рис. 11. Зависимость потребной удельной мощности двигателя фрезоагрегата от коэффициента линейного удельного сопротивления почвы. Прямые затраты энергии определяются по формуле: Е п = q ⋅ (α т + f т ), (34) где q - погектарный расход топлива, кг/га; α т - теплосодержание топлива, МДж/кг; f m - коэффициент, учитывающий затраты энергии на производство топлива, МДж/кг (для дизельного топлива α m + f m = 42,7 + 10 = 52,7 МДж/кг). Энергоемкость, приходящаяся на 1ч работы трактора, составляет: α mp M m a m а тк + а тт , (35) + Ет = 100 Т нт Т зт
где M m и α mp - масса энергетического средства и его энергетический эквива-
лент (для тракторов α mp = 120 МДж/кг); а т , а тк , а тт - отчисления на реновацию, капитальный и текущий ремонты энергомашины, %; Т нт и Т зт - нормативная и годовая загрузка энергомашины. Аналогичным образом определяется величина Е м для сельхозмашин ( α м = 104 МДж/кг). Разработанная теория МТА с совмещением функций рабочей машины и движителей позволяет провести сравнительный анализ энергоёмкости почвообрабатывающих агрегатов различных типов в конкретных условиях эксплуатации. Проведем сравнение показателей пахотных агрегатов на базе колесного трактора класса 2 типа «Беларус 1221», имеющего массу 5200 кг. Технологической частью традиционного пахотного агрегата служит трехкорпусный лемешный плуг массой 500 кг и шириной захвата 1,05 м. Удельное сопротивление 125
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. лемешного плуга принято равным 65 кПа, что приближается к верхней границе значений тягового сопротивления для среднетяжелых почв [5]. По условиям агротехники скорость движения агрегата с лемешным плугом принята равной 2,6 м/с (9,4 км/ч). Возможное ухудшение показателей агрегата вследствие движения правым бортом в борозде не учитывается. Предлагаемый агрегат с фрезерным плугом – движителем на базе трактора со съёмным задним мостом (рис. 12) состоит из энергетической части массой М т − М з . м , и технологической части, массой М м . Масса заднего моста с колесами составляет М зм = 1300 кг, из них на шины приходится М ш = 250 кг. Удельную (отнесенную к 1 м ширины захвата ротора) массу фрезоплуга, по аналогии с ротационным плугом ПР – 2,7 [5, c. 149], примем равной М м / bф = 650 кг/м..
Рис. 12. Схема фрезоагрегата: 1 – технологические колеса; 2 – ротационная машина – движитель Для снижения энергоемкости процесса фрезерования впереди ротора установлены рыхлящие лапы6. В табл. 1 приведен мощностной баланс агрегатов с двигателями мощностью 86,6 кВт, при равном их коэффициенте загрузки и ширине захвата ротора bф = 1,97 м.
6
Корректное сравнение фрезерного агрегата с расположением пассивных рабочих органов сзади ротора возможно только с совокупностью заменяющих его однооперационных агрегатов. Этот вопрос здесь не рассматривается,так как требует отдельного изложения.
126
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Таблица 1. Обозначение Pф
Агрегат с ЛП -
Агрегат с ФП 58,5
Привод пассивных рабочих органов
Рпас
51,2
12,8
Привод технологической части агрегата ( Ртех = Рпас + Рф )
Ртех
51,2
71,3
Мощность на качение агрегата
Pf
13,5
6,6
Потери мощности на буксование движителей трактора
Pδ
10,9
-
Составляющие баланса мощности, кВт Привод активных рабочих органов
Из таблицы следует, что мощность, затрачиваемая на качение агрегата с лемешным плугом, в два раза выше по сравнению с фрезерным агрегатом. Это обусловлено снижением силы сопротивления качению за счет выталкивающей силы ротора. При вычислении энергетического эквивалента силовой машины в агрегате с фрезоплугом (ФП) α *тр следует учитывать, что энергетический эквивалент шин ( α ш = 350МДж/кг) значительно выше соответствующей величины для трактора в целом. Величина α *тр может быть вычислена с помощью соотношения: α тр М тр = α *тр (М тр − M ш . з ) + α ш М ш. з . (36) Сравнение эксплуатационно–технологических и энергетических показателей агрегатов приведено в табл. 2. Удельная энергоёмкость непосредственно обработки почвы (т.е. технологической части) фрезерного агрегата существенно выше по сравнению с традиционным. Однако из-за отсутствия потерь на буксование и существенно меньшие затраты мощности на качение, уже на уровне выполнения основного технологического процесса, удельный расход топлива на гектар q0 фрезерного агрегата ниже агрегата с лемешным плугом. Коэффициент использования времени смены τсм агрегата с лемешным плугом ниже по сравнению с аналогичным показателем фрезерного агрегата. Это объясняется необходимостью применения для агрегатов с лемешным плугом загонного способа движения, непроизводительные затраты времени которого больше, чем у челночного способа движения, применяемого для фрезерных агрегатов [12]. В результате разрыв между агрегатами в погектарном расходе топлива еще более увеличивается. Соотношение полных удельных энергетических затрат агрегатов Е , несколько меньше соотношения погектарных расходов топлива и составляет 0,9. Это связано с тем, что энергоемкость на 1 ч работы фрезерного агрегата (энергосредство плюс сельхозмашина) выше аналогичного показателя агрегата с лемешным плугом.
127
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Наименование показателей Ширина захвата, м Скорость движения, м/с Коэффициент использования времени смены Сменная производительность, га/ч Удельная энергоемкость фрезерования почвы, КДж/м3 Удельная энергоемкость процессов технологической части агрегата, КДж/м3 Расход топлива, отнесенный к чистой производительности, кг/га Погектарный расход топлива, кг/га Энергоёмкость, приходящаяся на 1 ч работы силовой машины, МДж/ч Энергоёмкость, приходящаяся на 1 ч работы сельхозмашины, МДж/ч Полные удельные затраты энергии на рыхление почвы, МДж/га
Таблица 2. Агрегат с ФП 1,97 1,5 0,75
Обозначение b v τ см
Агрегат с ЛП 1,05 2,6 0,69
Wсм
0,678
0,798
Еф . уд
-
65,9
Е тех. уд
65,0
80,3
q0
20,3
18,7
q Ет
26,4 136,8
22,4 96,6
Ем
65,6
170,6
Е
1692
1518
Проведенные расчёты показывают, что общие удельные энергетические затраты почвообрабатывающих агрегата за счёт совмещения функций рабочей машины и движителей в заданных условиях могут быть уменьшены на 10%. Рассматриваемое направление совмещения функций активного рабочего органа и движителя при безусловном обеспечении требований агротехники позволит в той или иной степени удовлетворить следующие требования концепции «Конструирование для экологии»[1]: - снизить расход потребляемых в жизненном цикле материалов, топлива и энергии – вследствие уменьшения общей массы агрегата. - выбрать экологически безопасные материалы – уменьшение массы истираемой резины шин. - уменьшить количество энергии, переносимой на единицу работы (продукции) за счет снижения массы агрегата. - снизить вредное воздействие на окружающую среду в процессе эксплуатации, уменьшить расход топлива и смазочных материалов вследствие более высокого кпд движителя и трансмиссии. - повысить надежность за счет упрощения ходовой системы, уменьшения затрат на ее эксплуатацию. ЛИТЕРАТУРА 1. Ксеневич И.П. О движении информации, энергии и массы в жизненном цикле артефактов. Критерий устранения избыточности. – Приводная техника, № 4, 2004, с.2-11, № 5, с.2-11. 2. Ксеневич И.П., Скотников В.А., Ляско М.И. Ходовая система-почва-урожай. – М.: Агропромиздат, 1985. -304с. 128
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. 3. Медведев В.И. Энергетика машинных агрегатов с рабочими органамидвижителями. – Чебоксары: Чувашское книжное изд-во, 1972. – 180с. 4. Ксеневич И.П. Стратегия развития сельскохозяйственных тракторов: Проблемы теории и прикладной механики. – Приводная техника, № 6, 2003, с.2-14. 5. Машиностроение. Энциклопедия. Том IV-16. Сельскохозяйственные машины и оборудование / Под ред. И.П.Ксеневича, 1998. -720с. 6. Чудаков Д.А. Основы теории трактора и автомобиля. – М.: Колос, 1972. – 384с. 7. Далин А.Д., Павлов П.В. Ротационные грунтообрабатывающие и землеройные машины. – М.: Машгиз, 1950. -258с. 8. Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. – М.: Машиностроение, 1977. -388с. 9. Ротационные почвообрабатывющие машины/Яцук Е.П., Панов И.М., Марченко О.С. и др. – М.: Машиностроение, 1971.-254 с.. 10. Матяшин Ю.И., Гринчук Н.И., Егоров Г.М. Расчет и проектирование ротационных почвообрабатывающих машин. – М.: Агропромиздат, 1988. -176с. 11. Типовые нормы выработки и расхода топлива на механизированные полевые работы в сельском хозяйстве. Часть I. – М.: Колос, 1973.-660 с. 12. Соловейчик А.Г. Сменная производительность машинно-тракторных агрегатов и факторы на нее влияющие. Труды ВИМ, Т.67. - М.: 1975. с.3-28. 13. Методика энергетического анализа в сельскохозяйственном производстве. – М.: ЦОПКБ ВИМ, 1995. – 96 с. Получено 25.02.2005.
I.P.Ksenevich, DSc (Eng), professor, academician of RAAS, A.A. Solovejchick All-Russia Research Institute for Mechanization of Agriculture (VIM), Moscow, Russia N.M.Orlov, Cand. Sc.(Eng), All-Russia Research Institute for Farm Machinery Building (VISKHOM), Moscow, Russia V.G.Shevtsov, Cand. Sc.(Eng) All-Russia Research Institute for Mechanization of Agriculture (VIM), Moscow, Russia AN INTRODUCTION TO THE THEORY OF MOBILE TRACTOR/IMPLEMENT SYSTEMS WHERE THE FUNCTIONS OF A WORKING ELEMENT AND A PROPULSION DEVICE ARE COMBINED Summary The paper deals with the fundamentals of designing tractor/implement systems with powered tools, which also perform the propulsive function, as a way to energy saving and environmental safety of crop growing. Based on the kinematical analysis and the study of force and energy balance of the rototiller rotor, with due account for the thesis substantiated by A.D.Dolinny, V.I.Medvedev, and I.M.Panov, a pioneer mathematical model of a rototiller equipped with additional passive tools was formulated. The created mathematical software has allowed analyzing the dependences of such specific rototiller features as power intensity of rotary soil tillage, rotor’s pushing (propulsive) 129
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
and buoyant force, required power of the tractor/implement system’s engine, and fuel consumption (related to net productivity) on the depth of cut and traveling speed of the unit. On the worked out theoretical basis of the tractor/implement system, where the functions of a working element and a propulsion device are combined, a comparative analysis of power consumption was performed for soil tillage with various tractor/implement systems: a plowing unit with a share plow and a rototiller unit, consisting of a wheel tractor, the rear axle of which is replaced by the rotor tool with extra passive rippers and technological wheels. The calculations demonstrate 10% reduction of overall specific power consumption by a soil-tilling unit owing to the combination of functions of a working tool and a propulsion device under specified conditions. The combining of the functions of a powered working element and a propulsion device under consideration shows promise from the standpoint of ever-increasing application of CALS-technologies (continuous information support of the product life-cycle) since it allows - to reduce the life-cycle consumption of materials, fuel and power owing to the lower over-all weight of the tilling tractor/implement system - to choose environmentally safe materials – lowering the amount of tire wearing rubber - to reduce the power per work unit owing to the lower weight of the tilling tractor/implement system - to reduce the negative impact on environment during the unit operation, the fuel and oils consumption owing to the higher transmission and propulsion device performance - to increase reliability owing to the simpler design of the running system and lower operational costs The paper has 12 drawings and a list of 13 references.
В.А. Рогалев1 , В.Н. Денисов2 1 Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭБ), Санкт-Петербург 2 Санкт-Петрбургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН (СПб НИЦЭБ РАН), Санкт-Петербург СВЯЗЬ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА С ЭКОЛОГИЕЙ И ЕЕ ОТОБРАЖЕНИЕ В ПЛАНАХ РАБОТ МАНЭБ В докладе представлен перечень работ Международной академии наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭБ) в области повышения экологической безопасности объектов агропромышленного комплекса. По результатам деятельности МАНЭБ совместно с Администрацией СанктПетербурга и Ленинградской области формируется поэтапная региональная Программа по повышению экологической безопасности автотранспортного комплекса. Специалисты МАНЭБ проводят исследования по разработке систем кондиционирования воздуха в помещениях, повышению эффективности очистки загрязненных сточных вод в агропромышленном секторе и совершенствованию способов хранения сельскохозяйственной продукции, в частности, картофеля, с использованием озоновых технологий. 130
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Анализ жизненного цикла продукции сельского хозяйства, особенно, растениеводства, свидетельствует о негативном воздействии на биологические ресурсы окружающей среды (плодородие почв, атмосферный воздух, вода) объектов автотранспортного комплекса (АТК), снижающем ее качество как на стадии производства, так и потребления. При этом основными факторами, определяющими общий неблагополучный экологический фон получения сельхозпродукции, являются: • использование мобильной техники, оснащенной двигателями внутреннего сгорания (ДВС), работающими на жидком углеводородном топливе, и связанные с этим выбросы в атмосферу загрязняющих веществ с отработавшими газами, содержащими токсичные и канцерогенные ингредиенты; • загрязнение почвенного слоя в результате утечки горюче-смазочных материалов; • образующиеся жидкие и твердые отходы, приводящие к необратимым процессам в биосфере и опасные не только для окружающей среды, но и для человека, отрицательно влияющие на его здоровье. Оценке воздействия объектов АТК на окружающую среду, защите атмосферного воздуха и водных ресурсов при проектировании и эксплуатации автомобильных дорог, совершенствованию системы обращения с отходами автотранспортных средств в Северо-Западном регионе посвящен целый ряд исследований, выполненных с непосредственным участием специалистов нашей Академии за последние несколько лет [1]. Результаты этих и других разработок регулярно обсуждаются на российских и международных конференциях и семинарах. По инициативе МАНЭБ в Санкт-Петербурге были проведены две и готовится третья Международная конференция, посвященная проблеме обеспечения экологически безопасного функционирования автомобильного транспорта в России с учетом передового опыта стран Европейского Союза [2]. Результатом этой работы послужило принятие на Второй международной конференции (апрель 2004 г.) решения о необходимости создания региональной поэтапной программы по повышению экологической безопасности АТК. Базовые разделы этой Программы сформулированы следующим образом: – широкое внедрение результатов работ по снижению экологической опасности существующих двигателей автотранспортных средств, использующих нефтяные и синтетические углеводородные топлива; – поэтапная замена нефтяных топлив на сжиженный природный газ (СПГ) как наиболее чистого из углеводородных топлив, с обязательным созданием необходимой криогенной инфраструктуры в транспортном комплексе региона; – перспективные разработки по подготовке к переходу на водородную энергетику, которые через 15 – 20 лет должны будут обеспечить сохранение темпов хозяйственно-экономического развития нашей страны за счёт перехода вместе с ведущими странами мира на абсолютно экологически чистое водородное топливо, предполагающего замену ДВС двигателями, оборудованными электрохимическим генератором; – модернизация дорожного хозяйства и реализация планов строительства дорог и мостов в регионе; – создание управляющей системы обращения и утилизации отходов АТК, способной обеспечить их селективную и безопасную переработку, а также их вторичное использование в производственно-хозяйственной сфере;
131
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. – совершенствование современной нормативно-правовой базы и системы налогообложения и платежей за загрязнение ОС, стимулирующих перевод деятельности АТК на экологически приемлемые технологии. В настоящее время МАНЭБ осуществляет работы по реализации этого решения совместно с Администрациями Санкт-Петербурга и Ленинградской области. Значительное внимание в своей деятельности МАНЭБ уделяет решению вопросов ресурсо-, энергосбережения в различных отраслях экономики, в том числе, в агропромышленном секторе. Эта проблема, впрочем, имеет непосредственное отношение к вопросам экологичности мобильной техники, применяемой в сельскохозяйственном комплексе. Известно, что, к сожалению, более чем за 80 лет технического прогресса мы научились экономить при одинаковой производительности тракторов лишь 25% удельного (на один га) расхода топлива. Вектор совершенствования мобильной, прежде всего, тракторной техники, должен быть увязан с использованием более совершенных, в том числе по экологическим характеристикам, видов топлива. В настоящее время требования внутреннего российского рынка все больше ужесточаются и приближаются к международным. В мировом рынке технологий наблюдается очень плотная конкуренция: из каждых 100 идей разрабатываются 2, из каждых 100 разработанных и запатентованных идей до товара доходят 5, из каждых 100 новых товаров рынок принимает 10. В мировой практике известно, что американские технологии традиционно отличаются трудосбережением, европейские – энерго- и материалосбережением, а японские характеризуются всем спектром ресурсосбережения. Но в последние годы во всех экономически развитых странах наблюдается тенденция к оптимизации ресурсопотребления по всему комплексу экономических ресурсов. Решение проблем ресурсо-, энергосбережения, функционирования отечественных агропромышленных предприятий и развития экономики России в целом тесно связано с необходимостью разработки и применения современных технологий, ориентированных на достижение параметров рационального ресурсопотребления и ресурсосбережения, жестко увязанных с требованиями экологической и производственной безопасности. Разработке и внедрению ресурсо-, энергосберегающих, экологически чистых и безопасных технологий, обеспечивающих функционирование и безопасность как основных технологических, так и вспомогательных процессов на предприятиях ряда отраслей, к числу которых относятся предприятия агропромышленного комплекса, посвящены многие работы МАНЭБ, обобщенные в книге [3]. В основу этих разработок положены результаты изучения тепловых процессов в газовых, жидких и твердых средах, позволивших установить зависимости интенсивности теплопередачи от физических параметров фазового состояния сред. Интенсификация теплообмена сред при фазовых переходах пар – вода – лед усиливается в 3-5 раз и сопровождается аккумулированием ими отдачей теплоты в форме скрытой теплоты фазового перехода, во много раз (в 3-10) повышающей эксергетический потенциал энергоносителя (воздуха, воды, твердого вещества). Использование эффекта скрытой теплоты фазовых переходов воды позволяет конструировать оригинальные аппараты и технические системы эффективного охлаждения жидких и газообразных сред, обеспечивающие безопасность технологических процессов и улучшение условий труда обслуживающего персонала. Их отличительными признаками являются техническая простота исполнения, возможность использова132
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. ния низкопотенциальных ресурсов теплоты и холода (диапазон от минус 30 до плюс 30 0С), интенсивность протекания процессов тепло-, массообмена, экологическая безопасность систем и энергоносителей (основной носитель энергии – вода). В частности, обоснованы параметры автономного малогабаритного воздухоохладительного агрегата ударно-пенного типа для регионов с сухим жарким климатом и ограниченными водными ресурсами. Принцип действия аппарата заключается в адиабатическом охлаждении воздуха в пенном водовоздушном слое. Эксплуатационная проверка в жаркий период года на нескольких производственных объектах Среднеазиатского региона доказала высокую эффективность работы автономного агрегата пенного типа, которая выразилась в значительном понижении температурного потенциала воздуха на выходе из аппарата на 13,3 (17,3) 0С, его высокой холодопроизводительности (до 10 кВт) при расходе воздуха 1,5 (2,0) тыс. м3/ч и степени очистки его от пыли до 96%. Специалисты МАНЭБ проводят также исследования, направленные на повышение эффективности очистки загрязненных сточных вод в агропромышленном секторе и совершенствование способов хранения сельскохозяйственной продукции, в частности, картофеля, с использованием озоновых технологий. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В докладе нашел отражение достаточно широкий тематический спектр деятельности Международной академии наук экологии, безопасности человека и природы, включающий разработку организационных, конструкторско-технических и экотехнологических мероприятий, направленных на повышение экологической безопасности автотранспортного комплекса, комплекс работ по ресурсоэнергосбережению, повышению эффективности очистки загрязненных сточных вод в агропромышленном секторе и совершенствованию способов хранения сельскохозяйственной продукции, в частности, с использованием озоновых технологий. Указанные направления работ свидетельствуют о целесообразности расширения научных и деловых контактов на отечественном межотраслевом уровне и сотрудничества с зарубежными партнерами. ЛИТЕРАТУРА 1. Денисов В.Н., Рогалев В.А. Проблемы экологизации автомобильного транспорта. Изд. 2-ое, испр. и доп. – СПб: МАНЭБ, 2005. – 312 с. 2. Экологизация автомобильного транспорта: передовой опыт России и стран Европейского Союза: Сборник трудов II Всероссийского научно-практического семинара с международным участием. 7-9 апреля 2004 г., Санкт-Петербург / Под редакцией д.т.н. В.Н.Денисова. – МАНЭБ, СПб, 2004. – 160 с. 3. Мерчанский В.Д., Рогалев В.А., Шувалов Ю.В., Денисов В.Н. Ресурсосберегающие аппараты и системы. – СПб: МАНЭБ, 1999. – 413 с. Получено 24.02.2005.
133
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Rogalev V.A. International Academy of Ecology, Human and Nature Protection Sciences Denisov V.N. Saint-Petersburg Research Centre of Ecological Safety of Russian Academy of Sciences, St-Petersburg, Russia AGROINDUSTRIAL COMPLEX AND ECOLOGY: RESEARCH PLANS OF INTERNATIONAL ACADEMY OF ECOLOGY, HUMAN AND NATURE PROTECTION SCIENCES Summary The paper presents a number of activities of International Academy of Ecology, Human and Nature Protection Sciences aimed at raising the environmental safety of agriculture. Lately the experts of the academy have performed a number of relevant investigations, namely: - estimation of environmental impact of motor transport - protection of atmospheric air and water resources in highways designing, construction and exploitation; - improvement of the system of motor vehicles waste management in the NorthWest Region of Russia; - and many others. Two conferences devoted to the problems of ecological safety of motor transport complex were organized by the initiative of the Academy. III International Conference “Ecological safety of motor transport: advanced experience of Russia and the European Union” is scheduled for September 2005. Based on the results of these conferences, Regional Program for improving ecological safety of motor transport complex is being elaborated by the Academy in close cooperation with Administration of Saint-Petersburg and Leningrad Oblast. Academy experts are also engaged in designing the indoor air conditioning systems; improving efficiency of waste water cleaning in agro-industrial sector and agri-products storing, particularly, potatoes, with the use of ozone-based technologies, and many others.
В. Ф. Федоренко, д-р техн. наук, профессор Директор ФГНУ «Росинформагротех» ФОРМИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ РЕСУРСОВ МАШИННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АПК Мониторинг информационных ресурсов (ИР) о состоянии машиннотехнологического обеспечения сельскохозяйственного производства России свидетельствует о том, что возможности расширенного воспроизводства в отрасли продолжают ухудшаться. Распределение доходов от производства, переработки и реализации сельскохозяйственной продукции происходит без учета фактических затрат, например, по зерну и продовольствию из него они находятся в соотношении: 20% - доля товаропроизводителя зерна, 30% - переработки и 50% - торговли. 134
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Вследствие этого рентабельность отрасли с учетом субсидий из бюджетов всех уровней в 2004 г. составила только 5-6%, обеспеченность техникой сельхозпредприятий снизилась еще на 2-3%, а доля техники, находящейся за пределами нормативных сроков амортизации в машинно-тракторном парке предприятий, повысилась с 60% в 2003 году до 80% в 2004 году. Сложившееся положение во многом обусловлено не достоверным, а зачастую тенденциозным, предвзятым информационным обеспечением общественности и руководства страны о положении дел на селе. Отсутствием в средствах информации глубокого анализа причин приведших к этому, слабое освещение рациональных, экономически и технически обоснованных механизмов вывода отрасли из системного кризиса. На заседании Президиума Государственного совета Российской Федерации «О роли современных технологий в устойчивом развитии агропромышленного комплекса Российской Федерации», которое состоялось в Саратове 30 сентября 2004 г. Президентом Российской Федерации дан ряд поручений: Правительству Российской Федерации разработать и реализовать комплекс мер, направленных на экономическое стимулирование хозяйствующих субъектов, приобретающих новые машины и оборудование для внедрения современных технологий, средства химизации, семена высших репродукций; рассмотреть вопрос о стимулировании широкомасштабного внедрения современных технологий в агропромышленном комплексе, в том числе: выпуска современных конкурентоспособных отечественных машин и оборудования для технического перевооружения сельскохозяйственного производства; перевода сельскохозяйственной техники на газомоторное топливо. Правительству Российской Федерации совместно с Россельскохозакадемией разработать и представить предложения по развитию научных исследований в области современных технологий, введению курса обучения современным технологиям в высших сельскохозяйственных учебных заведениях, распространению практического опыта по внедрению современных технологий в сельскохозяйственное производство. Руководителям органов государственной власти субъектов Российской Федерации рекомендовано разработать и принять комплекс мер по внедрению и развитию современных технологий агропромышленного комплекса. Все это направленно на обеспечение продовольственной безопасности (ПБ) страны. Мировой опыт показывает, что для обеспечения ПБ требуется как минимум создание и постоянное поддержание такого продовольственного самообеспечения, которое гарантирует способность выживания населения без ущерба здоровью. Угроза ПБ усиливается при спаде производства, росте безработицы, невыплатах заработной платы, росте кредиторской задолженности предприятий, срывах в топливноэнергетическом снабжении и усугубляется отсутствием оперативного и достоверного информационного обеспечения. В этой связи сельское хозяйство рассматривается не только как отрасль, обеспечивающая страну продуктами питания и промышленность сырьем, но и как основной заказчик и потребитель промышленной продукции, формирующий в конечном счете прибыль в различных отраслях экономики. На предприятиях, работающих на село, как правило, уровень рентабельности значительно выше, чем в сельском хозяйстве. При устойчивом состоянии экономики один крестьянин обеспечивает работой семь-восемь рабочих других отраслей и зарплатой значительно более высокой, чем в сельском хозяйстве. Именно высокий уровень развития сельскохозяйственного производства, его платежеспособность, возможность и необходимость приобретать и поглощать матери135
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. ально-технические ресурсы (технику, запчасти, средства химизации, энергоресурсы и т.д.), являющиеся продукцией десятков отраслей, определяет устойчивое развитие всей экономики. Поэтому требуется совершенствование информационного обеспечения, властных структур и агробизнеса и прежде всего, рациональное использование имеющихся сил и средств с максимальной отдачей, учетом особенностей использования ИР в агропромышленном комплексе: 1. Меняющаяся тематика. Аграрному бизнесу нужна специализированная информация в областях, которые актуальны для данного предприятия именно сейчас. Приоритеты этих областей могут быстро меняться, при этом предприятию необходимо ориентироваться в имеющихся источниках информации, иметь средства навигации в информационных ресурсах. 2. Многообразие источников (поставщиков) информации: издательства, информационные агентства, порталы, интернет-магазины. Наряду с навигацией в информационных ресурсах, необходима навигация в имеющихся поставщиках. 3. Влияние инфраструктуры предприятия на технологию его информационного обеспечения. Функции и ответственность участников процесса информационного обеспечения (конечный пользователь, администратор информационной службы, финансист) в сфере бизнеса определяются практической направленностью информационного обеспечения. Другой особенностью является работа пользователей информации в разных отделах, зданиях и даже городах. Это требует отлаженных процедур администрирования и оплаты информации. Анализ проведенный учеными ФГНУ «Росинформагротех» ИР формируемых и формирующих научно-технологическую информацию (НТИ) в сфере агропромышленного комплекса показывает, что они являются основой при принятии руководителями, учеными, специалистами решений по следующим вопросам машиннотехнологического обеспечения АПК: - прогнозирование развития сельскохозяйственной науки и техники; - экспертиза принимаемых инженерно-технических, экономических и организационных задач; - комплексное информационное обслуживание на стадиях разработки, испытания, выпуска и эксплуатации сельскохозяйственных машин и оборудования; - маркетинг деятельности и мониторинг состояния АПК и др. Все большее количество ИР поступает на рынок в электронной форма (в настоящее время до 35%). Поэтому на первом месте выступает формирование открытого информационного пространства и организация доступа к ИР. Как показывает мировой опыт, наиболее многочисленным и важным видом становятся базы данных (БД), причем в режиме онлайн. Среди БД в АПК около 50 баз отечественной разработки («Инженернотехническое обеспечение АПК» ФГНУ «Росинформагротех», «АГРОС» ЦНСХБ, «Продукция предприятий оборонного комплекса» (ВИМИ), «Научно-технические разработки и производственный опыт» Волгоградский ЦНТИ, «Патенты России» ИНИЦ, «Стандарты» ВНИИКИ и др.) и зарубежной разработки более 120 (CAB ABSTRACTS, AGRIS, AGRIGOLA, UMIOC DISSERTUTION Abstraits olatabose, OCLC, SCI и др.). При этом ФГНУ «Росинформагротех» ведет 10БД, которые вмещают более 120 тыс. документов (рис. 1).
136
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Рис. 1. Базы данных ФГНУ «Росинформагротех» Мониторинг потребности в ИР - по различным структурам свидетельствует (рис. 2), что около половины пользователей - это информационно-консультационные службы (ИКО), третья часть - органы управления АПК различных уровней и около 20% - НИИ и ВУЗы. При формировании и использовании ИР необходимо учитывать тенденции развития отрасли и предусматривать: - увеличение доли создаваемых ИР на машинных носителях; - приоритетность формируемых БД (особое внимание должно быть уделено фактографическим, полнотекстовым базам, экспертным системам); - обеспечение доступа к имеющимся и создаваемым БД через Интернет и получение возможности онлайнового заказа первоисточников в виде копий (электронных или бумажных).
137
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
8% 10,5% 36%
18,5%
27%
Проектные ИН институты, коммерческие структуры, частные лица Разработчики и изготовиели с.-х. техники и оборудования ВУЗы, техникумы, колледжи, ИПКК Органы управления АПК субъектов РФ Сельскохозяйственные кооперативы, колхозы, совхозы
Рис. 2. Структура запросов по организациям По отраслевой направленности запросы по ИР распределяются следующим образом: механизация животноводства — 8,4%, растениеводства — 10,8, технический сервис 5,4%, остальное - общеотраслевые, экономические и другие вопросы (рис. 3).
60 50
49%
40
34,5%
30 20 10
8,5%
8%
Переработка с.-х. продукции
Экономика
0 Общеотраслевые вопросы
Механизация сельского хозяйства
Рис. 3. Структура запросов по тематике
138
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Оценка специалистами института ИР машинно-технологического обеспечения сельского хозяйства показывает, что в этой сфере значительное место продолжают занимать система изданий: каталоги составляют 53,8%, справочники, сборники — 20,1, библиотечки фермера и консультанта, брошюры — 13,7, аналитические обзоры — 6,5, ОСТы и другие материалы 5,9% (рис. 4). Среди последних изданий восьмитомный каталог регионального машиностроения. Более 8 лет издается журнал «Техника и оборудование для села» и «Информационный бюллетень Минсельхоза России». С 2001 г. на основе документальной базы данных института совместно с ЦНСХБ издает РЖ «Инженерно-техническое обеспечение АПК». С целью информационного обеспечения инновационных процессов, ускорения освоения инноваций на предприятиях и в организациях АПК новые разработки (нормативы, методики, рекомендации) доводятся до товаропроизводителей через план изданий нормативно-методической и научно-технической литературы, содержащий ежегодно 140-150 наименований объемом 1,5-2 тыс. уч.-изд. л. В последнее время большое внимание уделяется распространению передового опыта в области создания, производства, использования и обслуживания машин и оборудования для сельскохозяйственного производства. Изданы брошюры об опыте реконструкции животноводческих ферм по производству молока в Московской области, организации вторичного рынка сельскохозяйственной техники, работы машиннотехнологических станций и ремонтно-технических предприятий и др. Планируется издание опыта Ленинградской области по заготовке кормов и другим вопросам. В 2004 г. более 30 материалов о передовом опыте опубликовано в журнале «Техника и оборудование для села». Разработан и введен в действие ОСТ 10 1.9-2001 «Порядок ведения федерального технического регистра средств производства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции».
139
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Рис. 4. Информационные издания ФГНУ «Росинформагротех» Важное место в научно-информационном обеспечении занимает информационно-аналитический мониторинг научно-технического прогресса. За 2000-2004 гг. подготовлено и направлено 2000 абонентам в Минсельхоз России, Россельхоз, региональные информационно-консультационные службы, Россельхозакадемию, научноисследовательские институты, вузы, ассоциации экономического взаимодействия и федеральные округа более 1000 аналитических справок и информационных сообщений (рис. 5), в которых рассматриваются организационные формы работы предприятий АПК; дается анализ технических параметров отечественных машин и оборудования в сравнении с зарубежными; приводятся результаты сравнительных испытаний; передовой опыт по использованию сельскохозяйственной техники, диверсификации предприятий; ресурсосберегающие технологии производства продукции растениеводства и животноводства. 140
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
4,9% 1,4%
0,7%
6,9% 47,9%
5,6% 6,9%
12,5% 13,2%
Федеральные и региональные ИКС; НИИ; Минсельхоз России; ВУЗы; Межрегиональные ассациации экономического взаимодействия; Федеральные округа; РАСХН; Федеральная служба по ветеренарному и фитосанитарному надзору; Федеральное агентство по сельскому хозяйству
Рис. 5. Информационно-аналитический мониторинг ИР структур управления АПК Для повышения эффективности информационного обеспечения институт применяет новые информационные технологии: • создание печатной продукции с использованием автоматизированных баз и банков данных; • подготовка электронных справочников и полнотекстовых БД; • ведение документальной, фактографической, предметно-адресной БД, банков данных агротехнологий и графической информации. При всем многообразии ИР действующая система информационного обеспечения еще слабо взаимосвязана с агропромышленными структурами субъектов Российской Федерации. Отсутствует электронная система доведения новых разработок непосредственно до сельхозтоваропроизводителей, нет прямой связи разработчиков с массой потребителей научно-технической продукции, необходимой для внедрения новшеств в практику 141
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. хозяйствования. Отсутствует обратная связь между сельхозтоваропроизводителями и разработчиками проектов, обеспечивающая передачу результатов освоения последних и заказов на новые научно-технические разработки, необходимые производству. Для решения указанных и других вопросов институт разрабатывает концепцию формирования и обеспечения ИР машинно-технологической сферы АПК, которая при повышение качества информационного обеспечения отрасли предусматривает реализацию следующих мероприятий: 1. Проведение работ по более четкому определению категорий пользователей информационными ресурсами в целях дифференцирования содержания, направленности и объемов информационного обеспечения в соответствии с перечнем категорий пользователей. 2. Разработка принципов маркетинговой политики при информационном обеспечении: - определение видов ИР и услуг, которые необходимо предоставлять пользователям в рамках сотрудничества; - определение состава и объемов льгот, предоставляемых различным категориям пользователей (издания, БД сайта, информационные услуги и др.). 3. Анализ специальных информационных и технологических средств, направленных на определение тематической направленности пользователей и целесообразности подготовки тематических БД на оптических дисках. 4. Проработка технологического обеспечения по предоставлению бесплатного доступа через WEB-сайт к полнотекстовым БД и нормативно-методическим и другим материалам определенным категориям пользователей. 5. Анализ ценовой политики на выпускаемые издания на различных носителях. Намеченные мероприятия позволят значительно укрепить информационную базу разработчиков новых технологий и техники, создать им условия для производства конкурентоспособной продукции и повысить эффективность экономики агропромышленного комплекса России. Получено 20.05.2005.
V.F. Fedorenko, DSc (Eng), professor, Federal State Research Institution “Rosinformagrotech”, Moscow, Russia CREATION OF INFORMATION RESOURCES FOR ENGINEERING SUPPORT OF AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX Summary In this paper, the role of information support of agricultural production and the need for its further development is considered in the light of decisions made at the meeting of the State Council Presidium of the Russian Federation in September 2004. Specific features of information resources in agro-industrial complex are identified; their current forms and content as well as the query structure by organizations and topics are analyzed. The databanks created in “Rosinformagrotech”, the latest editions and the new forms of information support of governmental and business institutions are presented. The future activities of the institute are outlined. 142
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. А.А. Соловейчик Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства (ВИМ), Москва ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РОТАЦИОННОЙ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ МАШИНЫ, СОВМЕЩАЮЩЕЙ ФУНКЦИИ ДВИЖИТЕЛЯ МОБИЛЬНОГО АГРЕГАТА Совмещение функций рабочей машины и движителя в мобильном почвообрабатывающем агрегате даёт ряд экологических и ресурсосберегающих преимуществ по сравнению с агрегатами традиционных схем [1]. Проведённый анализ показал, что в качестве рабочей машины-движителя целесообразно использовать почвенную фрезу прямого вращения (по ходу агрегата) или ее разновидность – ротационный плуг, работающий с низкими окружными скоростями и большими подачами на нож (до 0,20…0,25 м). Ротационные плуги менее интенсивно крошат и перемешивают почву, потребляя при этом значительно меньше энергии, чем собственно фрезы [2, с. 238]. Ротационная машина-движитель расположена на месте заднего съемного моста трактора, что обеспечивает также совмещение функций привода ходовой системы агрегата и активных рабочих органов. Выбор параметров агрегата с фрезерным движителем (в дальнейшем «фрезоагрегат» ) будем проводить, исходя из критериев энергосбережения с учётом ограничений, накладываемых на выполнение технологического процесса. Мощность Рф , затраченная на фрезерование почвы, равная мощности подведенной к ротору Ро может быть определена через удельную энергоёмкость фрезерования Е уд.ф (Дж/м3): Рф = Ро = афbфv Е уд.ф (1) Алгоритм вычисления удельной энергоёмкости (удельной работы) фрезерования с учётом геометрических и кинематических параметров ротора, схемы расположения пассивных рабочих органов, условий и режимов работы ротационной машины, приведён в статье [1]. Для удобства анализа показателей агрегатов целесообразно ввести понятие удельной мощности (кВт/м), отнесенной к единице ширины захвата ротора. Применительно к величине Рф это будет удельная мощность фрезерования, определяемая как: Рф.b = Рф / bф Удельная номинальная мощность двигателя определятся по формуле [1]: Pф.b Рн .b = ηн (kид. м − ξ)
(2)
(3)
где kид. м – допустимый коэффициент использования мощности двигателя; η н – нагрузочный кпд привода ротора, принимаемый постоянным; ξ – отнесённые к номинальной мощности потери холостого хода. Номинальная поступательная скорость движения ротационных машин находится в узких пределах – 1,0…2,0 м/с [4, с. 151]. Примем номинальную скорость фрезоагрегата в середине указанного интервала, т.е. v н = 1,5 м/с. Отметим, что в фундамен143
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. тальных работах по теории ротационных машин [2, с.255; 6, с.160], значение поступательной скорости v п = 1,5 м/с принимается в качестве базовой. Ширина захвата ротора может быть вычислена по формуле: Рн bф = , (4) Рн.b (v н , ... ) где Рн – номинальная мощность двигателя, кВт. Многоточие в формуле (4) означает зависимость удельной мощности Рн.b , от ряда других (кроме v н ) факторов – радиуса ротора R , взаимного расположения пассивных рабочих органов относительно ротора и т.д. Перейдём к анализу факторов, ограничивающих область допустимых значений параметров агрегата. Скорость резания почвы v рез (абсолютная скорость режущей кромки ротационного ножа) является переменной по углу поворота радиуса ротора. При проведении энергетических расчетов, скорость резания можно считать соответствующей точке приложения сил сопротивления почвы. Экспериментальные исследования [2, с. 259] показали, что процесс отделения стружки при скорости резания до 5…6 м/с во многом подобен процессу работы поступательно движущегося рабочего органа. При скорости резания свыше 6 м/с происходит качественное изменение внешней картины деформации почвенной стружки. Это значение скорости резания обычно принимается предельно допустимым. Интересно отметить, что вопреки общей тенденции повышения рабочих скоростей агрегатов, скорость резания современных фрез снизилась вдвое, по сравнению с машинами 30-50-х годов [7, с. 5]. Другим важным ограничением является гребнистость дна борозды. При работе ротационных машин на дне борозды остаются гребни, т.к. потери соседних циклоид концов ножей пересекаются на некоторой высоте hг от уровня нижних точек циклоид. Агротехническими требованиями установлены предельно допустимые отклонения от заданной глубины обработки не более ±2 см на вспашке и ±1 см на культивации. В зависимости от глубины обработки допустимое значение высоты гребня рекомендуется определять по формуле hг .доп = 0,2 аф [2, с.244]. При заданном числе ротационных ножей на одном диске (совокупность дисков расположенный на одной оси образуют ротор) между относительной высотой гребня h = hг / R и кинематическим коэффициентом λ имеется соотношение [1]: π / n + arccos(1 − h) λ = λ (n, h) = . (5) h ( 2 − h) Итак, задаваясь допустимым значением высоты гребня hг .доп можно найти значение соответствующее ему значением кинематического коэффициента. Величина подачи на нож связана с кинематическим коэффициентом λ и количеством ножей n соотношением [2, с. 242] 2πR S= . (6) λn
144
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Значение λ д ограничивает величину кинематического коэффициента сверху, а соответствующее ему значение Sд – величину подачи на нож снизу. Наиболее энергоёмким видами работ являются вспашки и предпосевная обработка почвы. В южных зерносеящих районах страны около 50% площадей озимых колосовых культур возделываются по пропашным предшественникам – кукурузе на зерно и силос, подсолнечнику и др. В зависимости от природно-климатических условий и состояния почвы после пропашных предшественников: отвальная вспашка лемешными плугами с последующей разделкой дисковыми орудиями с катками (технология I) и мелкая безотвальная обработка дисковыми орудиями или плоскорезами (технология II) [3, с. 164]. Применение фрезоагрегатов предполагает использование в первой технологии ротационного плуга-движителя при глубине обработки 25 см. Возможен также вариант совмещения операций вспашки ротационным плугом, дискования и прикатывания. Во второй технологии может быть использована почвенная фреза-движитель при глубине обработки 10 см и номинальной подаче на нож 0,1м. При этом основная и предпосевная обработки почвы выполняется за один проход с интенсивным крошением верхнего 10-ти сантиметрового слоя почвы и её рыхлением на глубину 16…18 см стрельчатыми лапами. Проведём анализ параметров ротационных машин-движителей мобильного агрегата для выполнения операций по приведённым выше технологиям. Номинальные значения подачи на нож ротационного плуга и почвофрезы принимаются равными, соответственно 0,25м и 0,1м. Глубина обработки для плуга и фрезы устанавливается, соответственно 25см и 10см. Радиус ротора плуга зададим равным 0,375 м, а фрезы 0,15 м. В дальнейшем приведено обоснование принятых значений. Для обеспечения заданного значения номинальной подачи на нож количество ножей (на одном диске ротора) ротационного плуга может быть равным двум или трём (рис. 1, а). Вместе с тем безусловное предпочтение должно быть отдано варианту n = 3, т.к. при n = 2 допустимая подача на нож всё-таки «не дотягивает» до заданного значения (0,25м), из-за превышения предельной скорости резания (6 м/с). Решающим преимуществом варианта с тремя ножами является уменьшение энергоёмкости фрезерования почвы. Например, при поступательной скорости агрегата v п = 1,5 м/с, снижение энергоёмкости составляет свыше 30% (рис. 2, а) Выбор количества ножей на диске ротора почвофрезы проводится аналогично приведенному выше. Из рисунков (1, б) и (2, б) видно, что количество ножей фрезы следует принять, так же как для плуга, равным трём. Выигрыш в снижении энергоёмкости фрезерования при увеличении n с двух до трёх ещё более существенен, чем для плуга и составляет при скорости v п = 1,5 м/с, более 35% (рис. 2, б). Вернёмся к вопросу выбора радиуса ротора ротационных машин. На основании упомянутого выше алгоритма проведены расчёты по определению влияния относительного радиуса r = R / аф на удельную энергоёмкость фрезерования почвы ротационного плуга и почвофрезы при глубине обработки соответственно 25 см и 10 см. Как видно из рисунка 3 при значениях относительного радиуса r = 0,70…0,72 имеется чётко выраженный минимум удельной энергоёмкости фрезерования. На первый взгляд, это позволяет определить оптимальные значения величины R : для плуга R°=0,70⋅0,25=0,175 м для почвофрезы R°=0,72⋅0,10=0,072 м. (7) 145
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
а)
б) Рис. 1 Зависимость скорости резания почвы от величины подачи на нож ( S ) и количества ножей ( n ) при поступательной скорости агрегата v = 1,5 м/с: а) Ротационный плуг ( R = 0,375 м, aф = 25 см); б) Фреза ( R = 0,15 м, aф = 10 см)
◊-
минимальная подача (по допустимой скорости резания почвы);
тимая подача на нож (по высоте гребней на дне борозды); нож (по условию непрерывности обработки) 146
□-
○-
допус-
предельная подача на
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
а)
б) Рис.2. Влияние поступательной скорости агрегата ( v п ) и количества ножей ( n ) на удельную энергоемкость фрезерования почвы: а) Ротационный плуг ( S = 0, 25 м, аф = 10 см); б) Фреза ( R = 0,15 м, aф = 10 см) при рыхлении почвы культиваторными лапами, расположенными впереди ротора; без рыхления почвы впереди ротора 147
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. В энциклопедии «Машиностроение» [4, с. 147] и «Справочнике конструктора сельхозмашин» [5, с.127] соотношение между радиусом ротора и глубиной обработки рекомендуется брать в пределах r = R / аф = 0,56...0,67 < 1, (8) что несколько меньше, полученных выше значений (7). Парадоксальность ситуации заключается в том, что характеристики всех без исключения машин, приведённых как в «Энциклопедии» [4, с. 144], изданной в 1998 году, так и в «Справочнике…» [5, с. 111], изданном в 1967 году, не удовлетворяют приведённым там же рекомендуемым значениям радиусов ротора. Более того, опять же для всех машин, имеет место обратное соотношение R / аф > 1 . Имеющееся противоречие объясняется тем, что безусловный оптимум, определяемый соотношением (7) и тем более (8), не удовлетворяет задаваемым значениям величины подачи на нож. Так, для ротационного плуга при «оптимальном» радиусе ротора R=0,175м, допустимая подача на нож, даже при минимальном количестве ножей п = 2 , равна всего 0,16м (рис. 4, а), вместо заданного(требуемого) – 0,25м. Аналогично, почвофреза при «оптимальном» радиусе ротора 0,072 м и минимальном количестве ножей п = 2 , может работать с допустимой подачей на нож не более 0,075м, в то время как заданное значение составляет 0,1 м (рис. 4, б).
Еуд.ф, 250 кДж/м3 200 150 100
2
50
1 0 0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8 r
Рис. 3. Зависимость удельной энергоёмкости фрезерования почвы ( Е уд . ф ) от величины относительного радиуса ( r = R / aф ): 1 – ротационный плуг ( a = 25см, S = 0,25м);
148
2 - Фреза ( a = 10см, S = 0,10м).
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Таким образом, параметры рабочих машин- движителей следует принять следующими: ротационный плуг – R = 0,375 м и n = 3; (9) фреза – R = 0,15 м и n = 3 . Толкающее усилие ротора Fx расходуется на преодоление силы сопротивления качению (самоперекатыванию) агрегата F f и сил сопротивления пассивных (п) рабочих органов, расположенных впереди (пп) и (или) сзади (пз) ротора: Fx = Ff + Fxn = Ff + Fx.nn + Fх.пз = Fc (10) где Fc – сумма пассивных сил. Как правило, Fx > Ff . Поэтому наличие пассивных рабочих органов обязательно для соблюдения баланса движущей силы Fx и сил сопротивления Fc . Сила сопротивления качению агрегата F f определяется по формуле: F f = f cn k v (v п ) (G аг − Fz ) ,
(11)
где Gаг – вес агрегата; f cn – коэффициент качения; Fz – выталкивающая (выглубляющая) сила ротора – вертикальная составляющая реакции почвы; k v (v п ) – поправочный коэффициент влияния скорости движения на сопротивление качению. На рисунке 5 приведены зависимости удельных (отнесённых к 1 м захвата ротора) величин движущих сил Fx и сил сопротивления Fc в функции скорости агрегата vп . Каждому значению величины v п , при заданной величине подачи S , соответствует определённое значение номинальной мощности двигателя Pн , причём значению v н = 1,5м/с соответствует мощность Рн = 95,6 кВт (130 л.с.), которую имеет двигатель трактора «Беларус-1221» в номинальном режиме ( вес трактора - Gтр = 52 кН). Как видно из рисунка 5, а, в случае расположения пассивных рабочих органов сзади ротора плуга (пунктирные линии), мощность двигателя агрегата на базе трактора «Беларус-1221» оказывается недостаточной для осуществления технологического процесса – равновесная скорость агрегата достигается при значении большем 1,5 м/с, которое соответствует номинальной мощности этого трактора. Если пассивные рабочие органы, например, культиваторные лапы, установить впереди ротора плуга, то энергоёмкость фрезерования, а, следовательно, и его движущая сила уменьшатся (рисунок 5, а). Равновесное значение скорости, равной номинальной, достигается при заглублении лап на глубину 12 см, при их удельном сопротивлении 4,45 кН/м и ширине захвата ротора (определённой по выражению (3)) равной bф = 2,16 м. Рассмотрим ещё один вариант построения фрезоагрегата с ротационным плугомдвижителем. Допустим, по агротехническим условиям величина максимальной подачи на нож задана равной 0,2 м. Тогда, количество ножей, как видно из рисунка 1б, может быть принято равным пяти.
149
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Еуд.ф, 7 кДж/м3
При пn,ножей: При ножей:
6
2 5
Sтреб
4
3
3
4
5
2
8
1 0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
а)
Еуд.ф, 7 кДж/м3
S, м
При Прип,п ножей: ножей:
6
2 5
Sтреб 4
3 3
4
5 2
8 1 0.02
0.04
0.06
0.08
б)
0.1
0.12
0.14
S, м
Рис. 4. Допустимое и требуемое значения подач на нож (при радиусах роторов R = R o , соответствующих безусловному оптимуму (7)): а) Ротационный плуг ( R = 0,175 м; аф = 25см); б) Фреза ( R = 0,072 м; аф = 10см)
150
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Принятие новых конструктивных и установочных параметров плуга с одной стороны (за счёт большего числа ножей) уменьшает энергоёмкость фрезерования, а с другой (из-за снижения подачи на нож) – её увеличивает (рис. 2, 3). Однако, превалирующее влияние оказывает изменение подачи, что, в конечном итоге, приводит к увеличению движущей силы (рисунок 5б). Возрастание величины Fx позволяет создать комбинированный агрегат, выполняющий вспашку, дискование и прикатывание почвы одновременно. На основании данных энергооценки [8] и справочных материалов примем удельное сопротивление дисковых рабочих органов равным 5 кН/м, а прикатывающих катков – 1,3 кН/м. В отличие от предыдущего варианта, толкающее усилие ротора плуга превосходит суммарную силу сопротивления (включая силу сопротивления качению) во всём диапазоне возможных рабочих скоростей агрегата (рисунок 5, б, штриховые линии). Для уменьшения энергоёмкости фрезерования почвы и соблюдения силового баланса (10) при номинальной скорости v н = 1,5 м/с, впереди ротора необходимо установить рыхлящие лапы на глубину 5,5 см. Требуемая ширина захвата ротора в агрегате на базе трактора «Беларус-1221» составляет bф = 1,74 м. Несмотря на то, что чистая производительность первого агрегата на 20% выше второго (вследствие большей ширины захвата), выводы об их эффективности могут быть сделаны только с учётом совмещения операций, выполняемых вторым агрегатом. Следует отметить также возможное улучшение качества обработки вторым агрегатом, вследствие более интенсивного крошения почвы при уменьшении подачи на нож. Ранее были определены количество ножей и радиус ротора почвенной фрезы при обработке почвы на глубину 10см ( n = 3, R = 0,15 м). Технология обработки почвы с использованием фрезерования предусматривает её одновременное рыхление на глубину 16…18 см с прикатыванием. Если пассивные рабочие органы (стрельчатые лапы) поместить впереди ротора, то его движущая сила оказывается недостаточной для преодоления сил сопротивления – на почве, предварительно взрыхленной лапами, фреза «не тянет» (рисунок 6, пунктирные линии). При расположении пассивных рабочих органов сзади ротора, номинальное значение скорости агрегата 1,5м/с достигается при ширине его захвата bф = 2,16 м (рисунок 6, сплошные линии). При такой схеме следы, оставляемые стойками культиваторных лап, заравниваются следующими сзади катками. Качество обработки почвы повышается также за счёт разрушения лапами гребней на дне борозды. Отметим, что при расчёте тягового сопротивления лап, расположенных сзади ротора, следует учитывать, что оно определяется не глубиной их установки аз , а величиной разности ∆ = аз − аф .
151
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Fx,12 Fc, кН
Fx,16 Fc, кН
10
14
8
12
6
10
4 0.5
1
1.5
2.5 v, м/с
2
80.5
а)
1
1.5
2
2.5 v, м/с
б)
Рис 5. Соотношение движущих сил и сил сопротивления ротационных плуговдвижителей при различных величинах подачи на нож и числа ножей ( R = 0,375 м; аф = 25см а) S = 0, 25 и n = 3 ; б) S = 0, 25 и n = 5
Fx,12 Fc, кН10 8 6 4 2 0.5
1
1.5
2
v, м/с2.5
Рис. 6. Соотношение движущих сил и сил сопротивления в агрегате с фрезой – движителем ( R = 0,15 м: аф = 10 см; а л = 18 см; S = 0,10 м)
152
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Результаты проведённого анализа могут быть сведены в таблицу: Технология обработки почвы
Операция
I
Вспашка
II
Вспашка, дискование и прикатывание Фрезерование, рыхление и прикатывание
Тип рабочей машиныдвижителя
Расположение пассивных рабочих органов Впереди
Ротационный плуг Почвенная фреза
Параметры рабочей машиныдвижителя шиглубина количе- подача рина ство образахвана ножей ботки ротора, на дис- нож, та ротора, м ке см м 25 3 0,25 2,16
Впереди и сзади
25
5
0,20
1,74
Сзади
10
3
0,10
2,16
Предлагаемая методика выбора основных параметров ротационных машиндвижителей может быть использована в различных вариантах технологий возделывания сельскохозяйственных культур. ЛИТЕРАТУРА 1. Ксеневич И.П., Соловейчик А.А., Орлов Н.М., Шевцов В.Г. Экологические и ресурсоосберегающие аспекты создания машинно-тракторных агрегатов с совмещением функций рабочей машины и движителей. -–Приводная техника, № 2. – 2005. С. 14-26. 2. Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория м расчет почвообрабатывающих машин. М.: Машиностроение, 1977. - 328 с. 3. Сохт К.А. Машинные технологии возделывания зерновых культур. – РАСХН, Краснодарский НИИ сельского хозяйства им. П.П. Лукьяненко. Краснодар, 2001.- 271с. 4. Машиностроение. Энциклопедия. Том IV-16. Сельскохозяйственные машины и оборудование /Под ред. И.П.Ксеневича, 1998. - 720с. 5. Справочник конструктора сельскохозяйственных машин. Том 2. М.: Машиностроение, 1967. – 830с. 6. Далин А.Д., Павлов П.В. Ротационные грунтообрабатывающие и землеройные машины. – М.: Машгиз, 1950. - 258с. 7. Матяшин Ю.И., Гринчук Н.И., Егоров Г.М. Расчет и проектирование ротационных почвообрабатывающих машин. – М.: Агропромиздат, 1988. - 176с. 8. Протокол №33-28-81 о результатах испытаний опытного образца ротационного плуга ПР-2,7. Южно-Украинская МИС, Херсон, 1981. Получено 25.05.2005.
153
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
A.A. Solovejchick All-Russia Research Institute for Mechanization of Agriculture (VIM), Moscow, Russia PERFORMANCE OF ROTARY SOIL TILLING MACHINE SERVING ALSO AS A PROPULSION DEVICE IN THE MOBILE UNIT Summary Combination of operational functions of a tilling tool and a propulsion device in the mobile soil tilling unit offers a number of ecological and resource-saving advantages against the commonly used teaming patterns. The analysis has shown the rototiller of direct rotation (unit traveling-wise direction) – or its modification, a rotary plow – to be the most suited for application as a combined working tool and a propulsion device. Rotary plows are less active in crushing and mixing the soil, but considerably less energy consuming against the rototillers proper. Rotary tool and propulsor is attached in the place of a tractor withdrawable rear axle that also provides combination of driving functions of the tilling unit running system and active working tools. The working parameters of the tilling unit with rototilling propulsion device were calculated on the basis of the power saving criterion with due consideration for technological restrictions. The results of analytical investigations are presented in Table 1. The offered calculation technique of the key parameters of a rotary tool-propulsor may be applied in various options of crop growing practices.
Qing Yang, Shaoping Xue, Reixiang Zhu & Huilan Xue College of Mechanical & Electronic Engineering, Northwest Science & Technology University of Agriculture and Forest, China DEVELOPMENT OF CONSERVATION TILLAGE IMPLEMENT FOR DRYLAND AREA IN NORTHWESTE CHINA Abstract. This paper reports on the experiment design and performance of related conservation tillage implements for dryland area in Northwest China, which have been developed and patented by our research groups. These implements have been demonstrated as well as in different conservation tillage treatments comparing with conventional tillage at several experiment sites in Shaanxi province of China. Two years test results show that crop yield increased by 53%, average soil water storage increased by1 % to 1.2 % at different depth and organic matter increased by 1% to 2 % for the conservation tillage system with residues cover compared with conventional bare soil plowing. Moreover the efficiency of yield increasing and water storage for deep soil loosening was higher than for deep plowing; and no-till seeding of corn on high stubble mulching was better than seeding on low stubble. Finally, conservation tillage system resulted in great economic returns than convention tillage system. Keywords. Conservation tillage, implements, no-till, residue coverage, mechanized patterns 154
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
INTRODUCTION China is one of the many countries in short of water resources in the world. The average quantity of water holding for everyone only is 1/4 of the world level. There are 53 % of the national arable lands in the dryland area of north China, in which accounts for about 75% of farmland under no irrigation installation, the rainfall annually is only 300-500mm with high seasonal variations and in which only about 150mm is during the plant growing seasons. In other hand the annual evaporation is as high as 1400-1600 mm, and the use efficiency of rainfall precipitations is only 37.6%. Moreover, owing to excessive tillage and bare soil under the traditional moldboard plowing in the long years past, it resulted a lot of serious problems, heave water and wind erosion, soil degrading, ecology environment deteriorating, poor and unstable yield and low income of farmers. These factors have greatly restricted the sustainable development of agriculture and economy in this region. Sustainable development for agriculture is regarded one of the main issues in the world nowadays. Conservation tillage farming system integrates the essential technologies of no –till or reduced-tillage, residue coverage on farmland, biologic pest control and crop rotation for maximum soil protection and soil water storage. Many practices results from different countries have shown that the conservation tillage technique could maintain surface protection from wind and water erosion, increase the soil moisture, fertilize the soil, improve the soil structure, and protect the environment. Therefore it is considered as one of the important measures for agricultural sustainable development and especially suitable for the dry land areas. Research on conservation tillage system started in middle 1990’s in china. Over the past 10 years, the research work has obtained initial achievements and the experiment results have proved the feasibility to apply conservation tillage technology in China. In order to further extend this new technology in China, there is necessary to develop various implements suitable for the actual conditions in according with different regions, crops and farming styles. This paper reports on the experiment design and performance of related conservation tillage implements for dryland area in Northwest China, which have been developed and patented by our research groups. MATERIAL AND METHODS Design of conservation tillage implements Development of Implements suitable for requirement of variety planting treatment is important to realize conservation tillage system. Since 2000 our research groups have developed and patented five types of related conservation tillage implements. 1. 2BFS—3 No-tillage corn planter (Fig.1) This implement is mainly used for summer corn no-till planting in dry land as well as for cultivating, depth loosening, and fertilizing after a little adjustment. The interplant spacing, seed depth, seed discharge can be adjusted according to requirements. This implement is powered by medium-size wheel tractor (such as Shanghai-50, Tianniu-50), and five functions can be achieved at one operation such as opening a furrow, placing the seed, drop the water, fertilizing, and covering the seeds with soil. This implement has certain advantages such as simple construction, low cost, high adaptability, and high efficiency as well as protecting seedlings, and it is especially suitable for working on the field with high stubble condition, which is an ideal no-till planter for dry land in North China.
155
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Fig.1. Overall construction of 2BFS-3 No-tillage Planter
Fig..2 Overall construction of 1K-1800 Subsoiler
2. 1K-1800 Subsoiler (Fig.2) This implement is powered by small-size wheel tractor (36.8~40 kW) and is used to beak up deep (more than 35cm) compacted layers of soil on no-till field with residue cover. The main advantage of this implement has V type frame for arranging the shanks in staggered location to prevent from the residue block during machine working on the field with heavy residue conditions. The experiment results show that subsoilling operation can great improve the soil structure and their internal drainage, so it is more efficient for water storage, roots growth as well as to reduce moisture evaporation due to without disturbing surface residue cover and soil layer. 3. 9QBF-150/8 No-till planter with straw pulverizing and covering (Fig.3) This implement is powered by small-size wheel tractor (36.8~40 kW), and five operations can be finished at one procedure including straw lifting from the field, straw pulverizing, residue covering on the field, fertilizing, and no-till planting, which is an new ideal multifunctional implement for conservation tillage. The main innovation for this implement is to leave the clean surface for no-till planting at moment the straw lifting from surface and pulverizing, after that, the pulverized residues through the out-channel of machine immediately fall down and cover on the field which has been seeded. Thereby it is effectively to solve the residue block problem during implement seeding on the field with surface residue cover.
Fig.3. Overall construction of 9QBF-150/8 No-till planter with straw pulverizing and covering 4. 2MBFL-2/6 Wheat furrow planter with ridge-covering (Fig. 5) 156
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
This machine is designed to meet the requirement of new agronomic wheat planting pattern- “three rows close and one row wide planting” in dry land, namely, three rows wheat are planted in one furrow (60cm width), and one ridge, as wide as furrow, is covered with plastic film. Six rows are planted within the 1.2m operating width (4 rows only for common planter of this type). Therefore the rate of field utilization can be improved by 30 . This machine integrates several operations in one procedure such as ridge making, plastic film covering, fertilizing, furrow seeding as well as seed covering with soil and pressing and is mainly used for wheat and other millets both for one crop within one year and for two crops within one year. Testing results show that this new technology has certain advantages in rainfall collecting, water storage and soil temperature increasing. therefore it is especially suitable for dry-land and low temperature regions in North China.
Fig.4 Overall construction of 2MBFL-2/6 Wheat furrow planter with ridge-covering
Fig.5 2MBF-6 No-tillage planter wheat 5. 2MBF-6 No-tillage wheat planter This implement is especially designed for no-tillage wheat planting on the field with wheat straw coverage condition. It can finish several operations including straw cutting, fertilizing and planting at same position with different depth, and pressing after seeding through the field with straw coverage. This implement has certain advantages such as simple structure, light and handy body and reliability of performance, it is one of better implements for extending conservation tillage system in china at present. Site description The Experiment and Demonstration Sites for above-mentioned conservation tillage implements was set up at Yangling, Huangling and Qian county etc. in Shaanxi province of China. Yangling district located at Guanzhong Plain in middle of Shaanxi Province. This is a typical semi-humid region with supplementary irrigation in North China. Annual rainfall is around 600mm, with about 70% occurring during June to August. Winter wheat and summer 157
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
corn two crops within one year are main crops. Qian County located at North of Wei River residual tableland area of Loess Plateau, Winter wheat is a main crop. Huangling County located at hill and donga area of Loess Plateau, and spring corn is a main crop in one year. Annual rainfall is 400~ 480 for both Qian and Huangling CountyExperiment design The field experiments of conservation tillage at Yangling Site were conducted from 2001. The total area is two hectare. Ten small sections for no-till or reduced-tillage comparing with conventional tillage was designed. The map based on GPS and GIS is shown Fig.6.
Fig.6 Small section map of the different pattern based on GPS &GIS In this area, summer corn is planted in first June immediately after harvest of the winter wheat and is harvested in middle September, the winter wheat is planted in first October and is harvested in first June next year. The planting treatments for different individual experiment patterns are described as following: Pattern 1 :No-till seeding of summer corn (NTC) / conventional rotary tillage (CR) after harvest of corn / conventional seeding of winter wheat (CW); Pattern 2 : No-till seeding of summer corn on field with high stubble mulching (NTCH) /no-till seeding of winter wheat (NTW); Pattern 3 : No-till seeding of summer corn (NTC)/ subsoilling and conventional rotary tillage after harvest of corn (SCR)/ conventional seeding of winter wheat (CW); Pattern 4: No-till seeding of summer corn on field with high stubble mulching (NTCH)/ subsoilling after harvest of corn (S) / no-till seeding of winter wheat (NTW); Pattern 5: No-till seeding of summer corn on field with low stubble mulching (lower than 15mm)(NTCL) / no-till seeding of winter wheat (NTW); Pattern 6: No-till seeding of summer corn on field with low stubble mulching (lower than 15mm)(NTCL) / subsoilling after harvest of corn (S) / no-till seeding of winter wheat (NTW); Pattern 7 : No-till seeding of summer corn (NTC) / straw pulverizing and covering on field after harvest of corn (PZ) / conventional plow and rotary tillage (CPR) / conventional seeding of winter wheat (CW); Pattern 8 : No-till seeding of summer corn (NTC) / conventional plow and rotary tillage (CPR) after harvest of corn / plastic film covering on ridge and side- furrow seeding of winter wheat (SWFC); Pattern 9 : No-till seeding of summer corn (NTC) / straw pulverizing and covering on field after harvest of corn (PZ) / no-till seeding of winter wheat (NTW)’; Pattern 10 : No-till seeding of summer corn (NTC) / conventional plow and rotary tillage (CPR) / conventional seeding of winter wheat (CW). 158
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
RESULTS AND DISCUSSION Test results Field experiments of winter wheat and spring corn within one year were continuously conducted from 2001 to 2003 at Yangling Site. Water storage data of soil at different depth are listed in Table 1 for both convention and conservation tillage. Table1 Average water storage of soil at different depth (2001.12.19)
Depth (cm) 6-10 11-20 21-30 31-40 41-50
Conservation tillConvention tillage Residue coverage Bare soil ing (Section 11) (Section 10) 17.00 % 18.60 % 18.10 % 18.90% 18.20 % 19.20 % 18.10 % 19.70 % 19.40 % 20.10 %
According to the test results, average soil water storage increased by 1 % to 1.2 % at different depth and organic matter increased by 1% to 2 % for conservation tillage with residue cover compared with conventional bare soil plowing . Wheat yield increased by 53%, and spring corn yield increased by 25 % for the conservation tillage system with wheat residues cover and no-till seeding of corn immediately after wheat harvest, compared with conventional tillage pattern. Moreover the efficiency of yield increasing and water storage for deep soil loosening was higher than for conventional plowing; and no-till seeding of corn on high stubble mulching was better than seeding on low stubble at same cropping treatment conditions. Discussion The common cost for different mechanized planting operation in China is listed in table 2. Table 2 2 Different plant operation cost (Yuan)/ (hm ) Residue pulverizing and cover 270
Plowing
Rotary tillSeeding age
Subsoiling
No-till seeding
375
270
270
375
150
Film cover and seeding 270
The benefit analyzing for main conservation tillage including No-tillage with residue cover, No-tillage with subsoiling and rotary tillage comparing with conventional moldboard plowing for both winter wheat and summer corn are listed in Table 2 to Table 3. and 2 respectively
Table 2 Results analyzing for winter wheat in main plant treatment in 2003 159
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Plant treatment (NTC)/ (CPR) / (CW) section 11 (NTC)/ (PZC) / (CPR) / (CW) section 8 (NTCH)/ (S) /(NTW) (section 5) (NTC)/(CR)/(CW) (section 2)
Relative Grain Production Operation Returns returns cost income yield (yuan) (hm (yuan) / (yuan) / T/(hm (yuan) (hm 2) 2) 2) (hm 2) (hm 2) 5.04
6051
795
5256
0
6.80
8161.5
1065
7096.5
1840.5
6.28
7521
645
6876
1620
5.58
6696
420
6276
1020
Note:* Calculation of wheat prices according to 1.2(yuan)/kg
Table 3 Results analyzing for spring corn in main plant treatment in 2003
Plant treatment
Grain yield
Production income (yuan) / (hm 2) 5781
Operation cost (yuan) / (hm 2) 420
Returns (yuan) (hm 2)
T/(hm 2) (NTC)/ (CPR) / (CW) 5.78 5361 section 11 (NTC)/ (PZC) / (CPR) 8.17 8169 375 7794 / (CW) section 8 (NTCH)/ (S) /(NTW) 6.42 6420 375 6045 (section 5 ) (NTC)/(CR)/(CW) 4.62 4618.5 375 4261.5 (section 2) Note: * Calculation of wheat prices according to 1.2(yuan)/kg; **The stubble leaving the field is about 35cm and 15cm in section 5 and 2 respectively
Relative returns (yuan) (hm 2) 0 2433 684 -1099.5 height of the
CONCLUSION Through two years yield experiment for mechanized conservation tillage technique comparing with conventional moldboard plowing tillage; some initial conclusion could be obtained: 1. The conservation implements developed by our research group are suitable for the actual natural and economic conditions and as well as the farmer’s science and technology levels in rural areas of China. 2. Surface residue cover was more efficient in increasing soil moisture and fertilizing soil comparing with conventional moldboard plowing tillage. 3. Conservation tillage system resulted in great economic returns than convention tillage system due to greater yields and low production costs resulting from reduced tillage. 4. Yields increasing and water storage for deep soil loosening was higher than for conventional plowing, therefore subsoilling could be the best way instead of conventional plowing. 160
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
5. At same cropping treatment, No-tillage seeding of corn with high stubble mulching was better than with low stubble mulching. 6. The conservation tillage patterns discussed in this paper are suitable for doublecrops within one year in semi-humid regions, as well as suitable for one-crops within one year, such as whiter wheat and spring corn in try-land area in North China. Acknowledgments This study was supported by Chinese Science & technology Ministry, under 863 Program No.2002AA6Z3121 and No.2004AA2Z4120, and by Chinese Agriculture Ministry, under key program “Mechanized technology system for high efficient use or rainfall in dry farmland of Shaanxi loess plateau, and by Farm Machinery Administration Bureau of Shaanxi Province, under project “Yangling Experiment and Demonstration Site for Mechanized New Technique and Machinery” References Gao Huanwen, Li Wenying, Li Hongwen,2003, Conservation tillage technology with Chinese characteristics, Trans CSAE 19(3): 1- 4 James R Smart and Joe M. Bradford, 1995, Conservation Tillage Corn Production for a Semiarid, Subtropical Environment John E. Morrison.2000, Development and future of conservation tillage in America, Proceedings of China international conference on dryland and water-saving farming, 26-34 J R Murray, 2003 ,An Overview of Mechanisation for Conservation Cropping in Australia, Proceedings of Chinese and Australia conservation tillage conference, Lanzhou ,China Yang Qing, Xue Shaoping, Zhu Reixiang, 2001,Integrated technique systems for dryland and water-saving farming and mechanization in China, Trans CSAE 17(1): 69-73 Yang Qing, Xue Shaoping, Zhu Reixiang, Conservation Tillage Technologies for Double-crop Regions in North China, Conservation Tillage &Sustainable Farming :712,2004,China Agricultural Scienc3 &Technology Press, Beijing, China Yang Qing, Xue Shaoping, Zhu Reixiang, 2004, Mechanized technology system for high efficient use or rainfall in dry farmland of Shaanxi loess plateau, Trans CSAE 19(supplement): 49-52 Yang Qing, Xue Shaoping, Zhu Reixiang, Development and Application of Mobile Water-saving Irrigation and Field Multifunctional water-collection and conservation Implements, Proceeding of conference “ Science & Technology for Water-saving Agriculture in China ”, 345-349, 2004 .11, Taigu, Shanxi province, China.
Кинг Янг, Шаопинг Шуе, Рейшианг Жу, Гуилан Шуе Колледж машиностроения и электронной техники, Северо-Западный Университет сельского и лесного хозяйства, Китайская Народная Республика РАЗРАБОТКА ОРУДИЙ ДЛЯ ПРОТИВОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ В УСЛОВИЯХ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ СЕВЕРО-ЗАПАДА КИТАЯ Резюме 161
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. В докладе представляются почвообрабатывающие орудия для защитной обработки противоэрозионной обработки засушливых почв на Северо-Западе Китая, которые были разработаны и запатентованы учеными колледжа. На экспериментальных площадках в округах Yangling, Huangling and Qian в провинции Shaaxi, Китай, были проведены испытания этих орудий в различных видах противоэрозионной обработки почвы в сравнении с обычной отвальной вспашкой на одной или двух культурах в течение одного года. Механизированные технологии противоэрозионной почвообработки сравнивали с обычной обработкой почвы. Результаты двухлетних опытов показывают, что урожайность увеличилась в среднем на 53%, влагоемкость почвогрунта повысилась на 1-1,2% в зависимости от глубины, содержание органического вещества возросло на 1-2% при противоэрозионной обработке почвы при сохранении стерни пшеницы по сравнению с обычной вспашкой оголенной земли. Кроме того, повышение урожайности и влагоемкости было больше при глубоком рыхлении почвы по сравнению с глубокой вспашкой, а посев кукурузы после нулевой обработки в высокую мульчированную стерню дал лучшие результаты, чем посев в низко срезанную стерню. Наконец, в результате применения системы противоэрозионной обработки почвы была получена большая экономическая прибыль по сравнению с обычной обработкой почвы благодаря высоким урожаям и низким производственным затратам вследствие сокращенной обработки почвы. Получено 12.05.2005.
162
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Цзян И-юань, проф. Северо-восточный с.-х. университет, Акад. Китайская академия инженерии Хэ Ти, старший инженер (соответствующий профессору) Хэйлунцзянская академия науки по с.-х. машинам Хао Хен-цань; Шу Циун-линь, профессор “1-ого Августа” с.-х. университет ПРОГРЕСС В МЕХАНИЗАЦИИ КОНСЕРВАЦИОННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ПРОПАШНЫХ КУЛЬТУР И РИСА - ЭФФЕКТИВНАЯ МЕРА СБЕРЕЖЕНИЯ ЗЕМЕЛЬ ОТ ЭРОЗИИ НА СЕВЕРО-ВОСТОКЕ КИТАЯ В статье излагаются технологический принцип и конструкция комбинированного культиватора-сеялки разного типа для точного и пунктирного посева сои и кукурузы в гребневом культивировании и пропашного фрезерования для риса в ленточном культивировании. В статье также кратко излагается конструкция приспособления - плавающий и гибкий режущий аппарат низкого среза для уборки сои, навешиваемый на хедер зернового комбайна, применение которого позволит получить значительный экономический эффект за счет прироста урожайности сои, производительности машин и уменьшения потерь урожая. ВВЕДЕНИЕ Хэйлунцзянская провинция является главной базой производства сои, кукурузы и риса в Китае. Естественные и агрономические условия её определяют необходимость посева сои и кукурузы на гребнях на полях большей части провинции, т. к. гребневая поверхность дает возможность повысить температуру почвы гребня ранней весной, способствует осушению земли в дождливый период осенью и снизить ветровую эрозию почвы. Ленточное культивирование в рисоводстве позволяет снизить затраты энергии и повысить урожайность риса. Более того, первоначальные испытания показали, что если производится междурядное ленточное глубокое фрезерование и обмолот риса очесыванием на корню, причем растительные остатки оставляют на поле без среза, то возрастает эффективность, т. к. сокращается операция заделки растительных остатков в почву. Вышеизложенную технологию можно отнести к категории консервационного культивирования (Conservation Tillage). В прошлом в большинстве совхозов урожайность сои была низкой - 1.68 t/hm2. Применение вышеизложенной технологии в последние годы обеспечило повышение урожайности сои до 2.62 и 3.00 t/hm2, макс. 3.45 t/hm2 , а урожайность кукурузы достигла 6-9 t/hm2. За последние годы в Хэйлунцзянской провинции разработали и серийно производят новую технику, в том числе: 1. Комбинированный культиватор-сеялка марки 2BJGL-6 для точного пунктирного посева пропашных культур (особенно для сои и кукурузы) на гребнях, разработанный сельскохозяйственным университетом «1-го Августа» и Хэйлунцзянской академией наук по с.-х. машинам (ХАНСХМ). 2. Пневматическая пунктирная сеялка 2BJQ-6/7/8/9, разработанная ХАНСХМ. 163
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. 3. Без вспашки (No-Tillage) - сеялка точного высева марки 2BJM-6, разработанная ХАНСХМ. 4. Ленточное фрезерование междурядий риса с оставленными стеблями риса, обмолоченного очесыванием на корню, как будущее (в следующем году) мульчаудобрение. Эта техника разработана Харбинским научно-исследовательским институтом механизации сельского хозяйства. 5. Приспособление – плавающий и гибкий режущий аппарат для уборки сои, навешенный на хедер зернового комбайна, разработанное ХАНСХМ. КРАТКОЕ ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ТЕХНИКОЙ КОНСЕРВАЦИОННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ 1. Комбинированный культиватор-сеялка марки 2BJGL-6 для точного пунктирного посева пропашных культур (особенно для сои и кукурузы) на гребнях, разработанный Сельскохозяйственным университетом «1-го Августа» и Хэйлунцзянской академией наук по сельскохозяйственным машинам (рис.1).
Рис. 1. Схема комбинированного культиватора-сеялки 2BJGL-6 Комбинированный культиватор-сеялка 2BJGL-6 снабжен долотообразными лапами (1) для глубокого рыхления (до 30 см) нижнего слоя почвы под будущим гребнем. Перед ними установлен дисковый нож (2) для срезания стерни и препятствующий забиванию долотообразной лапы растительными остатками. Эти лапы могут обрабатывать существующие гребни посредине или рыхлить дно борозд перед формированием нового гребня сбоку идущими окучниками (4) (см. рис.1). На стойке долотообразной лапы закреплен двухрукавный тукопровод (3), через него две струи удобрения подаются в почву на 6 см сбоку и 10 и 15 см ниже уровня расположения семян. Формирование гребня рекомендуется производить сразу после глубокого рыхления.
164
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Операции рыхления, внесения удобрения и формирования гребней обычно выполняются осенью после уборки культур (рис.2). Посев сои на гребни производится весной следующего года (рис.3).
Рис. 2. Технология посева сои на гребнях: (А) - операция выполняется предыдущей осенью; (Б) - операция выполняется текущей весной
Рис. 3. Технология посева сои на гребнях и внесение стартовой дозы удобрения Высевающий аппарат ячеисто-катушечного типа (рис.4) обеспечивает точный посев сои и кукурузы. Над ячейкой-катушкой расположен щеточный отражатель, который отбрасывает излишние семена от ячейки. Результаты полевых испытаний показывают, что 53-68% всходов имеют удовлетворительное расстояние между семенами в ряде при скорости движения машины 7,9 км/час. 165
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. На долотообразном сошнике (5), идущем по гребню, установлен тукопровод для внесения стартовой дозы удобрения. За ним следует двухдисковый сошник (6), посредством которого осуществляется нарезка двух бороздок, куда подаются семена высевающим аппаратом через семяпроводы и располагаются с равным расстоянием друг от друга в ряду (рис.5).
Рис. 4. Схема высевающего аппарата 2. Пневматическая пунктирная сеялка 2BJQ-6/7/8/9. Навесная пневматическая пунктирная сеялка может быть шести-, семи-, восьми- и девятирядной (см. рис.5). Сеялка выполняет пунктирный посев сои, кукурузы и других пропашных культур. Впереди в каждом ряду идет долотообразный рыхлитель (1) на стойке которого укреплены две тукотрубки (2) для внесения удобрения в почву на разные глубины. Башмаковидный очиститель (3) употребляется для удаления растительных остатков от рядка посева. Разрежение, создаваемое вентилятором (на рисунке не показан) через воздухопровод (4) передается в камеры разрежения высевающих аппаратов (5). Зерна, находящиеся в камере питания (5) (рис.6), присасываются к отверстиям высевающего диска (2) и выносятся им из зоны вакуума вниз в зону атмосферного давления, где отстают от диска и падают на дно борозды, проделанной двухдисковым сошником (6) (см. рис.5), который делает две бороздки для более равномерного распределения питательных площадок. В связи с этим на высевающем диске расположены два ряда отверстий, распределенных на двух периферийных поверхностях с разными радиусами и равным количеством отверстий.
166
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Рис. 5. Сеялка 2BJQ-6
Рис. 6. Пневматический высевающий аппарат
167
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. Сравнительная характеристика равномерности высевания зерна пневматического высевающего аппарата Рабочая скорость машины (км/час)
Количество Теоретическая средняя удовлетворительных длина участков (мм) участков (%)
Коэффициент вариации (%)
Количество участков, на которых попадались два зерна (%) 1.00 2.50 1.97 2.46 1.94 0.00 2.84
Количество участков, на которых отсутствовали зерна (%) 0.50 2.50 0.49 1.97 1.94 1.43 3.32
15.77 98.5 65 6.035 20.64 95.0 65 6.943 18.91 97.54 65 7.941 20.12 95.57 65 9.030 16.41 96.12 64 9.983 18.51 98.57 66 11.027 18.49 93.48 66 12.025 Сумма зерен: 200 штук. Давление в камере разрешения: - 0,004 Мра. Все участки, длина которых попадалась в пределах от 0,5 м до 1,5 м считаются удовлетворительными. М – теоретическая средняя длина участков (мм). 3. Без вспашки (No-Tillage) - пунктирная сеялка марки 2BJM-6. Пунктирная сеялка марки 2BJM-6 (Рис.7) предназначена для пунктирного посева пропашных культур (в основном сои и кукурузы) на поле без предварительной обработки. Основная особенность машины – наличие дисковых ножей (2) с волнистой поверхностью на их периферии для среза остатков впереди двухдискового сошника (3), по сторонам которого расположены два катка (4), обеспечивающие установленную глубину посева. Двухдисковый сошник (1) с тукопроводами используется для внесения минеральных удобрений перед посевом.
Рис. 7 Без вспашки (No-Tillage) - точная сеялка марки 2BJM-6 168
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Рис. 7-1. Комбинированная сеялка для посева на гребнях с диском для удаления стерни перед сошником
Рис. 8. Вид всходов сои, высеянных двухрядным дисковым сошником на поле без предварительной обработки
169
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Рис. 9. Вид всходов кукурузы, высеянной двухрядным дисковым сошником на поле без предварительной обработки
Рис.10 Сравнение корней всходов кукурузы и бобовых стручков сои между традиционным посевом и посевом на поле без предварительной обработки 4. Ленточное фрезерование междурядий риса. Консервационное культивирование является очень важным в рисоводстве в Китае. Первоначальные опыты показали, что ленточное фрезерование междурядий пересаженного риса с бороздкой 15 см шириной и 16 см глубиной в середине борозды повышает урожайность риса на 16% и позволяет сократить затраты воды на 30%. При этом обмолоченные очесыванием на корню стебли риса, оставленные без среза, при ленточном фрезеровании измельчаются и используются как удобрение в последующем.
170
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Рис. 11. Ленточный фрезер для культивирования риса
Рис. 12. Поперечное сечение борозды
171
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Рис. 13. Рисовая сажалка в работе
Рис. 14. Рассада риса среди стерни
Рис. 15. Сравнение корней при посеве в почву с традиционной обработкой и ленточным фрезерованием 172
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Рис. 16. Рисовый уборочный комбайн с обмолотом очесыванием на корню
Рис. 17. Стебли риса, травмированные гусеницами комбайна 5. Приспособление к зерновому комбайну – плавающий гибкий режущий аппарат для уборки сои. Недостатки существующего комбайна при уборке сои: 1. Потери бобовых зерен достигают 10% из-за высокого среза стерни. 2. Поверхность зерен сои пачкается комками грязи. 3. Трудность в управлении высотой среза стерни. 173
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. Изучив зарубежный опыт, Хэйлунцзянский Научно-исследовательский института механизации сельского хозяйства разработал новую конструкцию данного приспособления. На рис. 18 показана схема вышеуказанного приспособления. Это – пальцевый брус, изготовленный из пружинной полосной стали с поперечным сечением 6×80 мм, на котором установлены пальцы режущего аппарата. Пальцевый брус опирается на несколько башмаков и соединяется через кронштейн с главной балкой корпуса жатки.
Рис. 18. Схема приспособления для низкого среза Пластинчатые пружины несут большую часть веса режущего аппарата, что придает ему лучшую плавающую способность. Имеется коробка передач для привода кривошипного вала режущего аппарата. Компенсирующая пружина уравновешивает вес коробки передач. Благодаря упругости пружины (6 мм толщины) и упругости пальцевого бруса режущий аппарат хорошо копирует поперечный рельеф поля. На рис. 19 показан эффект применения данного режущего аппарата для снижения высоты стерни по результатам полевого испытания уборки рапса, посеянного рядовым способом с междурядьем 15 см.
Рис. 19. Равномерная высота стержней на неровном рельефе 174
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Кривая представляет линию, которая проходит через высшую точку стерни каждого растения, находящегося в одном и том же поперечном сечении. По кривой видно, что максимальная разница рельефа поля достигает 10 см, а высота стерни колеблется в пределах 5-11 см. Это значит, что высота стерни снижается на 4 см по сравнению с обыкновенным хедером. Такой же эффект был получен при уборке сои с помощью данного приспособления. В ходе работы режущий аппарат опирается всеми своими башмаками на поле. Передняя часть хедера часто колеблется вертикально из-за продольной изменчивости рельефа поля. Для того, чтобы вертикальное расстояние между передней частью хедера и плавающим аппаратом сохранялось в определенных пределах, использовали датчики контроля. ВЫВОД Консервационное культивирование является перспективной технологией на Северо-востоке Китая. В прошлом в большинстве совхозов использовали переоборудованные сеялки и комбайны. Урожайность сои была низкой и составляла 1,68 t/hm2. Применение вышеуказанной технологии в последние годы обеспечило повышение урожайности до 2,62 и 3,00 t/hm2, максимально – 3,45 t/hm2, а урожайность кукурузы составляет 6-9 t/hm2. Ленточное фрезерование междурядий пересаженного риса с бороздой 15 см ширины и 16 см глубины в середине борозды повышает урожайность риса на 16% при сокращении затраты воды на 30%. При этом естественные условия Северо-востока Китая отличаются от условий, где успешно практикуется посев на гладкой поверхности поля. В статье приводятся предварительные испытания рекомендуемой техники. В дальнейшем работа будет продолжена. Получено 25.05.2005.
Jiang Yiyuan, Professor, et al. Northeast Agricultural University (NEAU), China Agricultural Academy, People’s Republic of China PROGRESS IN MECHANIZATION OF CONSERVATION CULTIVATION OF ROW CROPS AND RISE AS AN EFFICIENT SOIL EROSION CONTROL MEASURE ON THE NORTH-EAST OF CHINA Summary The paper presents the technological principles and designs of tractor/implement systems of various types for soil tillage, precision and single-seed planting of soybean and maize, and also flexible floating cutter bar of low cut for soybean harvesting, attached to grain combine harvester header. The substantial economic effect was obtained owing to the soybean yield premium, high performance of machines and equipment and lower soybean loss.
175
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Tiansheng Hong, Professor Polytechnic College, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China,
[email protected] Wanzhang Wang, Associate professor Mechanical and Electrical Engineering College, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China,
[email protected] PESTICIDE DISTRIBUTION TEST OF THE HYDRAULIC NOZZLE FOR PROFILE MODELING SPRAY * ABSTRACT. With the aim of achieving a quality product and with consideration for the environment, the pesticide distribution test system for profile modeling spray was established. The system mainly consists of the spray controller, garden spray machine, spray distribution test stand and the conveyer. In order to increase the spray deposition in canopy, to improve the spray coverage and to reduce the loss of pesticide out of the tree, the spray experiments were conducted for a type of hollow cone nozzle horizontal installed to study its solution distribution model and find the spray operating parameters. The effects of the spray pressure and the travel speed on the solution distribution were investigated. Hence this paper provides the main fundamental data for profile modeling spray research. KEYWORDS. Fruit tree, Pesticide distribution, Hollow cone nozzle, Profile modeling spray INTROUDUCTION Pesticide spraying is still the most effective and economical way of controlling the plant diseases and insect pests in the fruit tree growing. But the chemical application in orchard was considered as the problem of pollution. So there has been a trend over many years to reduce the amount of pesticide spray in fruit tree. To meet the requirements of modern plant protection as well as stricter ecological standards, the new technology of the pesticide spray must be developed to spray efficiently and safely. Orchard sprayer must ensure adequate chemical deposition on the target with minimal spray loss. A significant contribution come from improvements in spray application technology was the ultrasonic sensor being used. Based on the ultrasonic sensor, the spray was able be controlled as the tree present, so called Selective spray. The objctive of paper is to study the pesticide distrbutin from the hydraulic nozzle to realize the most efficiciency deposition depend on the proefile modeling spray base on the ultrasonic sensor. Proefile modeling spray’s working principle is realizing the precise pesticide spray work according to the actual shape of fruit trees. It applies modern control and electronicinformational technique to the plant protection machines. The method can increase the utility ratio of pesticide, while can minis loss of liquid pesticide and can reduce the environmental pollution and pesticide leftover on the fruit surface, so the precise spray can be realized. For the profile modeling spray of fruit tree, the distance from the hydraulic nozzle to the tree’s canopy is the key operating parameter because of the distribution of the pesticide solution. But there are many factors that effect on pesticide distribution, such as spray pressure; spray ground speed etc. So a test system is built to investigate the distribution of the hydraulic nozzle selected for the profile-modeling sprayer.
*
This research work supported by the National Natural Science Foundation of China (NSFC)
176
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
TEST SYSTEM OF THE PROFILE MODELING SPRAY The test system consists of four major parts: The garden spray machine (ZXA6, Meizhou China) with a pump (2.0-4.5Mpa) and a 500L tank, the conveyer that drive the nozzle move in different speed (See Fig. 1), the spray distribution test stand consisting of “V shaped “ channels and the spray test controller.
Fig. 1. Nozzle translation control conveyer
In this test system the components to be controlled are two frequency converters and a solenoid-controlled valve. Two frequency converters change two three-phase AC motors speed respectively. One is the spray pump motor. By changing the speed of the spray pump motor the spray pressure can be adjusted. Other is the motor that drives the sprayer traveling. An ultrasonic sensor (Model No. PS1L-D1M Fuji Co. Japan) is used to achieve the distance from the nozzle to the tree. The key component in this spray test controller is a single-chip micro controller (Model AT89C52). It is an enhancement type in MCS-51 series, with 8K ROM, 256B RAM and three timers. Hence the foundation is provided for the realization of the function of the spray system. The architecture of the test control system is shown in Fig.2. In this system two analogue-to-digital channels for the signal of ultrasonic sensor and pressure transducer are offered by the ADC0832 series A/D converter. A D/A converter provided four digital-to-analogue channels and offers two for the two frequency converters. To store and forward the experiment data, The E2PROM - AT93C46 with 1kbit memory and a RS-232 interface for computer communication are used. The out put signals are sent to the electrohydraulic valve through the input/output ports. The circuit has a keyboard and a liquid crystal display screen. With this test system the spray pressure, volume of the spray solution and the range from the turn spray on to off can be controlled when the spray distribution experiment. The spray test was conducted indoor for two hollow cone nozzle (Model: 1/4MKB80200BCVRW and 1/4MKB80320BCV-RW, VMD 130μm and 210μm, Ikecuchi, Japan, Abbreviated to 200 and 320 in the following text) to study its solution distribution. Clean water substitute for the pesticide solution in the spray distribution experiments.
177
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Variable Frequency driver
Pump motor
Three phase power supply
Travel switch
Variable Frequency driver
Traveler motor
Electrohydraulic valve
Direct current source
Ultrasonic Sensor
Ship Microcomputer System
Pres μ sure Sensor
Volume Sensor
Photoelectric switch Switching Power Supply
Figure 2. Structure of spray test control system PESTICIDE DEPOSITION EXPERIMENTS A group of orthogonal experiment is done by some different spray parameters to work out their influences of the average spray range of liquid pesticide deposition on the stand under the indoor environment. Table 1 shows the factors and the level of the orthogonal experiment are shown in table 1. Table 1 Combination of the orthogonal experiments parameters Levels
Factors A/Pressure/ MPa B/Travel speed /km/h C/Nozzle/Model
1 1.20 3.30 200
2 2.00 0.51 320
The average spray range can be calculated from
D =
n ∑ i= 1
x iv i n ∑ v i i= 1
Where D = average spray range (mm); i =“V-shaped” channel number of the spray test stand (i= 1,2,3,……n); Vi = Volume of the liquid deposited from No. i channel (ml); xi = Distance from nozzle to the No. i channel (mm) The extreme difference analysis of test results is shown in table 2. The conclusion we drew out is that, under the indoor environment, the nozzle model (Different in the volume 178
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
median diameter of droplets), the travel speed and the pressure effect the pesticide distribution significantly. To further investigate the effects of the spray pressure and the travel speed on the solution distribution, the spray pressure test and travel speed test are conducted respectively. Table 2 Analysis of variance dependent variable of average distribution range SourceSum of Square D.FMean Square F valueConspicuous level A 21595.62 1 21595.62 55.47 0.08 B 22278.44 1 22278.44 57.22 0.08 A×B 5757.18 1 5757.18 14.79 0.16 C 35007.90 1 35007.90 89.91 0.07 A×C 4016.32 1 4016.32 10.32 0.19 B×C 2236.80 1 2236.80 5.75 0.25 Error 389.34 1 389.34 Total 91281.60
Average range /mm
The spray pressure experiment shows that with the increase of the pressure the average deposition distance increase proportionately (See Fig.3 and Fig.4). AS the spray pressure increase from 0.67 to 2.38Mpa, the average deposition distance of the two nozzles selected increase 464mm and 391mm respectively. 1600
D = 313. 25P + 851. 16 2 R = 0. 9576
1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 0
0. 5
1
1. 5
2
2. 5
S p ra y p re s u re /MP a
Average range /mm
Fig . 3 Averag e depos ition dis tance with the increas e of s pray pres s ure for nozzle 2 0 0 1500 1400
D = 203. 01P + 1009. 1 2 R = 0. 9634
1300 1200 1100 1000 0. 00
0. 50
1. 00
1. 50
2. 00
2. 50
S p ra y p re s u re /MP a
Fig . 4 Averag e depos ition dis tance with the increas e of s pray pres s ure for nozzle 3 2 0
179
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Average range /mm
The experiment results show that with the increase the sprayer ground speed the average deposition distance of two nozzles decrease (See Figure 5 and Figure 6). The speed increase from 0.51 to 4.0km/h, the average deposition distance of the nozzle 200 and 320 decreases 251mm and 173mm respectively. 1000 Nozzle 200 Pressure 1.2Mpa 900
800
700 0. 00
D=- 67. 022V+997. 79 R2=0. 9625
1. 00
2. 00
3. 00
4. 00
Average range /mm
Speed / km/h
1200
Nozzle 320 Pressure 1.2Mpa 1100
1000
900 0. 00
D=- 43. 466V+1142. 3 2 R =0. 8544
1. 00
2. 00
3. 00
4. 00
Speed / km/h
Fig. 5 Relationship between average deposition distance and travel speed
For further computerizing the spray solution distribution, the fitted lognormal distribution function was built based test datum. If the minimum deposition distance is defined as the distance when the cumulative probability not greater than 0.1 and the maximum deposition distance is defined as the distance when the cumulative probability not less than 0.9, the relationship between the spray deposition rang and the spray operating parameters such as pressure and speed can be calculated. Fig. 6 and Fig.7 are the relationship between the maximum and minimum deposition distance of the nozzle 200 and its spray pressure and travel speed respectably. As it can be seen from the Fig.6 and Fig.7 that the variation of minimum deposition distance D(0.1) is not great than the maximum deposition distance D(0.9) when the spray pressure and travel speed increases. The distance from the nozzle to the canopy can be set according the minimum deposition and keep constant distance when the spray operation. The deposition range increase when the spray pressure increase, because the maximum deposition distance increase greatly. And the deposition rang decrease when the travel speed increase, because the maximum deposition decrease greatly. Hence the travel speed and spray pressure should be adjusted depend on the diameter of the fruit tree. 180
Distance / mm
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
3000 2500 2000 1500 1000 500
D(0.1)
D(0.9)
D(0.5)
0 2 2.5 Pressure /MPa Fig. 6 Deposition distance from nozzle 200 with the pressure increase
Distance /mm
0
0.5
1
1.5
1600 1400 1200 1000 800 600 400 D(0.1)
200
D(0.9)
D(0.5)
0 0.0
1.0
2.0
3.0
4.0 5.0 Speed / km/h Fig.7 Deposition distance from nozzle 200 with the travel speed increase
DISCUSSION AND CONCLUSION Selecting a hydraulic nozzle for the target detecting spray system in the orchard spraying is an important work in sprayer design. Deposition distance experiment for the selected nozzles could be conducted to find out its basic operating parameters. Because the foliage dence of canopy is not considered in this indoor experiment the further calibration should be carred in practice. The spray pressure and the travel speed are the key parameters that effect on the spray deposition distance. The average deposition distance increase with the pressur increase and decrease with the travel speed increase. Based on the test syetem not only the volume of pesticide solution be measured, but also the range of the spray deposition could be specificed. The experiment bring forward the control way of the pestcide desposition from the hydraulic nozzle in profile modeling spray. The distance from the nozzle to the canopy depend on minium deposition distance. The spray pressure and the ground speed should be controlled to fit the canopy size of fruit trees.
181
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
REFERENCES Bill A Stout. 1999. CIGR Handbook of Agricultural Engineering (Volume III). CIGRThe International Commission of Agricultural Engineering. American Society of Agricultural Engineers Molto E, Martin B, Gutierrez A. 2000. Design and testing of an automatic machine for spraying at a constant distance from the tree canopy. Journal of Agricultural Engineering Research. 77(4): 379-384 Grzegorz Doruchowski,Ryszard Holownicki.2000.Environmentally friendly spray techniques for tree crops. Crop Protection. (19): 617-622 Cross J V, Walklate P J, Murray R A et al. 2001. Spray deposits and losses in different sized apple trees from an axial fan orchard sprayer: 2. Effects of spray quality. Crop Protection. (20): 333-343 Mechrdad Darvishvand Taher. 1998. A virtual nozzle for pesticide spray deposition in a plant canopy PhD diss. The university of Guelph Wang Guien. 2003. Profile modeling spray mechanism and its technology foundation for fruit trees. Unpublished PhD diss. Guangzhou, South China Agricultural University, College of Engineering, Holownicki R, Doruchowski G, Godyn A; Swiechowski W.2000.Variation of Spray Deposit and Loss w ith Air-jet Directions applied in Orchards. J. agric. Engng Res., 2000, 77 (2),129-136
Tiansheng Hong, Южно-китайский сельскохозяйственный университет Wanzhang Wang Henan сельскохозяйственный университет ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕСТИЦИДА, РАСПЫЛЕННОГО ИЗ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ НАСАДКИ, С ЦЕЛЬЮ ПРОФИЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАСПЫЛА Резюме Опрыскивание пестицидами по-прежнему является наиболее эффективным и экономичным способом борьбы с болезнями растений и насекомыми-вредителями при выращивании фруктовых деревьев. Однако применение химикатов в фруктовых садах рассматривалось, как загрязнение окружающей среды. Поэтому в течение многих лет существовала тенденция снижать объем пестицидов, применяемых для опрыскивания фруктовых деревьев. С целью удовлетворения требований современной защиты растений и все более ужесточающихся экологических стандартов, должна быть разработана технология эффективного и безопасного опрыскивания пестицидами. Опрыскиватель, предназначенный для работы во фруктовых садах, должен обеспечивать соответствующее осаждение химикатов на опрыскиваемой поверхности и минимальные потери веществ. Значительный вклад в решение этой задачи при совершенствовании технологии опрыскивания внесло использование ультразвукового датчика. При помощи этого датчика оказалось возможным проводить так называемое селективное распыление. Целью данной работы было изучение распределения пестицида, выпускаемого из гидрав182
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. лической насадки, чтобы осуществить наиболее эффективное осаждение в зависимости от контурной модели основы аэрозоля на ультразвуковом датчике. Были проанализированы траектории и осаждение капель пестицида с учетом положений гидродинамической теории и механизма распыления гидравлической насадки. Была разработана опытная установка на основе однокристального микроконтроллера (модель АТ89С52) с целью изучения распределения раствора пестицида, выпускаемого из гидравлической насадки по горизонтальной поверхности. Стенд включал ультразвуковой датчик, электромагнитный вентиль, датчик расходомера, транспортер и насос для опрыскивания. Установка регулировала и регистрировала параметры опрыскивания, такие как давление и объем распыла, скорость движения, а также собирала осаждаемый раствор на специальном столе. Испытания проводились с использованием двух насадок (форсунок) в виде полого конуса (модель: 1/4MKB80200BCV-RW с VMD 130 μ m и 210 μ m 1/4MKB80320BCV-RW, производства фирмы Ikecuchi, Япония, в дальнейшем обозначаемых 200 и 320) для изучения распределения раствора. Было установлено влияние давления распыла и скорости движения на распределение раствора. Результаты опыта показали, что скорость движения и давление оказывают значительное влияние на распределение пестицида. С повышением давления среднее расстояние осаждения увеличивается прямо пропорционально. При росте давления с 0.67 до 2,38 MPa среднее расстояние осаждения из двух выбранных насадок увеличивалось на 464 мм и 391 мм, соответственно. С повышением скорости движения опрыскивателя, среднее расстояние осаждения из двух насадок снижалось, а когда скорость движения достигала определенного уровня, среднее расстояние осаждения снижалось значительно. Повышение скорости от 0,51 до 4,0 км/час привело к снижению среднего расстояния осаждения из насадки 200 и 320 снижается на 251 мм и 173 мм, соответственно. Для дальнейшего компьютерного расчета распределения раствора пестицида на основе опытных данных была построена адаптированная логарифмически нормальная функция распределения. По результатам данного опыта был определен принцип выбора параметров распыления и регулирования расстояния от насадки до кроны дерева. Получено 16.05.2005.
Xiwen Luo1; Xuecheng Zhou1 ; Xiaolong Yan2 (
[email protected]) (
[email protected]) (
[email protected]) 1 2 ( College of Engineering, Root Biology Center, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, P. R. China) SEGMENTING ALGORITHM FOR MSCT IMAGES OF PLANT ROOT SYSTEM BASED ON SPATIAL GEOMETRICAL FEATURES Abstract. The root system is an important plant organ for nutrient and water uptake from the surrounding medium. Due to its special growing environment and complex structure, the root system is more difficult to quantify than the shoot. Observation and measurement of root architecture in situ have been the technical bottleneck for research on plant root systems. As an attempt to solve the above barrier, plant root images in situ were obtained in this study using multi-slice spiral computed tomography (MSCT) imaging technology. In order to sepa183
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
rate a root system completely from its surrounding medium, it is necessary to make effective segmenting of the root images. Image segmentation, however, is very difficult in practice, since most of the existing approaches to image segmentation are based on particular type of images. In order to get a better segmenting effect, an interactive segmentation method was developed based on the spatial geometrical features of the root system and the gray-level information of its MSCT images. After analyzing the gray-level histograms of the whole 3D image and slice images, the threshold values were determined, and the binarization of root images was processed. The images were processed using proper mathematical method according to the feature of root 3D morphology. Finally special segmenting algorithm based on the geometrical characteristics of root system was developed to remove most of the impurity whose density is very close to root system. Special algorithm was designed based on the following principles: both the spatial location of root system between adjacent slices and the change of its sectional shape and area are continuous. Because the rhizome in the CT images near medium surface is very clear and easy to be recognized, the first step of the algorithm is to manually locate and segment the rhizome regions in the 3~5 slices of CT images near the medium surface, so that the basement of the recurrence approach is setup. Then according to the spatial continuity of the root system, the regions of root system downwards were revealed slice by slice and the impure pixels were cleared. The results indicated that integrated algorithms is an more effective method for segmenting the images. Keywords Image segmentation, MSCT images, Plant root, Geometrical feature Introduction. Soil is a barrier to direct visualization and measurement of root system while it provides water and nutrients to plants. To clearly understand the process of root growth and distribution belowground, various approached to observing roots have historically been attempted, inlcuding the soil volume method in plastic tube, the mesh bag method, the three-dimensional coordinate container method, the rhizotron technology and the isotope trace method so on (Mao, 1994; Cheng et al., 1999). The present methods used in observing root generally include two steps: sampling from soil and measurement. Most of sampling processes are destructive to the root system because it is necessary to dig and separate roots from soil. Such sampling may not only break some small and thin roots which are required for root morphological research, but also time-consuming and laborious. What is more, it is very difficult to keep root system without shift and deformation during sampling or later. Furthermore, after sampling many traditional measurements are also taken manually. With the advancement of relevant technologies, there are a few of new techniques for nondestructive sampling and automatic measurement such as the rhizotron technology, the isotope trace method and computer measurement methods based on digital image processing (Luo et al.,1999; Kimura et al., 1999) . Most of them, however, can only provide some limited information or 2D (plane) data in situ, but not intact and exact 3D morphological data. In fact, the lack of exact and facile methods for observation and measurement in situ has always been the technical bottleneck for research on plant root system (MacFall, 1998; Guo et al., 2001). As an attempt to solve the above barrier, plant root images in situ were obtained by using the multi-slice spiral computed tomography (MSCT) imaging technology, and the visualization of plant roots growing in different media was implemented after image processing and 3D reconstruction(Luo et al., 2004). However, it is very difficult to separate a root system completely from its surrounding medium using the available medical software developed for human organs imaging. Therefore, it is necessary to develop special methods of image segmenting and 3D reconstruction for plant roots so as to obtain clearer 3D root images (Luo et al., 2004). Image segmentation is very difficult in practice, however, since most of existing approaches of image segmentation are based on the particular type of images. In order to get a better segmenting effect, an inter184
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
active segmentation method will be developed based on the spatial geometrical feature of root system and gray-level information of its MSCT images. 1 MATERIALS AND METHODS The objective of this paper is to quantify the root system of a banyan (Ficus religiosa L.) seeding grown in the soil. The raw images in situ of which were obtained by a scanning equipment used for medical imaging (Sensation 4 MSCT, Siemens, Germany). The main scanning parameters used were tube voltage of 120 kV, milliampere setting of 90 mAs, 1mm slice thickness and 1mm screw pitch. After scanning, each sample yielded more than 200 slices of CT images with each slice consisting of an image matrix with 512 pixels X 512 pixels (Figure 1). These images of the root system in situ were preprocessed appropriately with filtering, interpolation, and encapsulation. After that, these images were used as the raw data for research on segmenting algorithm. In order to get a better segmenting effect, 3D threshold segmenting for CT images were done according to the similarity of gray-level between slices and within a slice for root system. Then utilizing the 3D morphological feature of root system, region trimming was implemented with appropriate mathematical and morphological methods. Based on the spatial geometrical features of the root system, the impure pixels whose density is close to the root system were wiped off from the CT images. Finally, the characteristic regions were extracted and filled using seed fill algorithm.
(a)
(b
) Figure 1. MSCT Imaging of Plant Root System in Situ: (a) slice of root section image (b) over 200 slices of CT images from a root system 2 RESULTS AND DISCUSSION 2.1 3D threshold segmenting In the segmentation method, the threshold values were determined after analyzing the gray-level histograms of the whole 3D image and slice images, and the binarization of root images was processed. In order to illustrate the whole distribution of the gray levels of the images, the whole histogram of all images and the histograms of some typical images were drawn. Figure 2 is the whole histogram, and the histogram of the slice 104 ( middle slice ) was shown in figure 3. In fact, the histograms of the slice 30 60 … 180 and the top slice besides the middle slice were selected.
185
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
1400000
1200000
1000000
800000
600000
400000
200000
35 94
32 85
30 38
24 01 92 4
28 12
22 00 84 7
26 01
20 00 77 0
18 00
16 00
14 00
12 00
10 00
80 0
60 0
40 0
0
20 0
0
Figure 2. Whole histogram for all images
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
24 97
13 86
11 83
11 02
10 09
69 3
61 6
53 9
46 2
38 5
30 8
23 1
15 4
77
0
0
Figure 3. Histogram of the slice 104 According to the analysis of the above histograms, the whole CT images can be divided into 3 regions as the following. The gray level of the first region is between 0 and 360, where the main meterials are air and the mattress of CT bed with minimum density. The second region is mainly composed of organic soil, plastic container and light impurity with smaller density and maximum volume, of which the gray level is between 360 and 800.The root system and weighty impurity belong to the third region with the gray level above 800. It was therefore possible to preliminarily determine that the threshold value of the root system is over 800. Figure 4 shows the raw image of the silce 104 and its initial segmented result. 186
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
(a) (b) Figure 4. CT image of the slice 104 and its primary segmentation (a) raw image of the slice 104 (b) primary segmentation of root system (T>800)
In addition to the root system, the primary segmented regions also include a great deal of weighty impurity and other components. So it is necessary to do more precise segmentation. In order to get a precise segmentation, the typical slices with clear root regions were selected from the slice 160 to the slice170, and the histograms of the typical root regions and the rhizospheres including root system were drawn(Figure 5 and figure 6). At the same time, the whole histogram and the histogram of typical slices above with the gray level of more than 800 were further analyzed. Figure 7 is the histogram (T> 800) of the slice 165. 12
10
8
6
4
2
121 2
118 0
115 0
111 8
108 4
104 8
92 7
100 0
82 0
71 8
63 0
57 3
53 9
50 8
47 6
44 5
41 2
37 7
34 1
30 6
25 7
15 7
0
Figure 5. Histogram of the rhizosphere including root system in the slice 165
187
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
9 8 7 6 5 4 3 2 1
1231
1214
1196
1180
1164
1148
1131
1114
1095
1077
1056
1036
975
1011
938
890
828
755
702
604
436
0
Figure 6. Histogram of a root region in the slice 165 30
25
20
15
10
5
2899
2533
2000
1585
1273
1218
1188
1159
1130
1101
1072
1042
1012
981
949
918
887
858
829
800
0
Figure 7. Histogram of the slice 165 It is clear that there are two peaks in figure 5, and the root system is just in the right peak of which the gray level is more than 800. In fact, the values of the pixels in the right peak are between 930 and 1240. Figure 6 is the histogram of a root region in the slice 165, where the pixel values in the root region are between 485 and 1245. By contrasting figure 5 with figure 4, it is obvious that there is no clear boundary between the gray levels of root system and its media, of which the distributing range are intercrossed each other. According to the result from statistic analysis, the pixels of root system whose gray level is in the range from 930 to 1230 are 95% of all pixels in the root region. And combining with the whole histogram above and the histogram of the typical slices, it can be seen that the range of threshold value for the precise segmentation of root is from 930 to 1230. The effect of segmenting CT images with the threshold 930~1230 was shown in figure 8.
188
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
(a) (b) Figure 8. Effect of segmenting with the threshold 930~1230: (a) Segmentation of the slice 104 (b) 3D display of segmenting effect 2.2 Mathematical Morphological Processing It was shown in figure 8 that there was still some impurity after 3D threshold segmenting. Most of the impurity was some spots whose density was very close to root system, some others may be caused by the local reaction of CT imaging. In order to improve the precision of the subsequent analysis and measurement, it is necessary to make further segmenting for the images. Therefore, mathematical morphological processing was used for the images segmenting. Mathematical morphology is a set-theoretical algebra consisting of two fundamental operators, dilation and erosion. A binary signal can be considered a set X, and erosion and dilation then correspond to Minkowski addition and subtraction with respect to another set E called the structuring element. Here we use the notation X E={ξ+ε: ξ X, ε E} for dilation of a set X by structuring element E. Erosion is then the dual operator of dilation XΘE=(Xc E )c Where Xc denotes the complement of X, and E denotes structuring element E reflected about the origin.Further morphological operators are formed as combinations of dilation and erosion. The open operator is defined by X○E = (XΘE) E And its dual, the close operator by X●E = (X E)ΘE Open operating can erase the region less than structuring element and cut off the gracile connective band between larger regions. The operating was selected as the main process of mathematical morphology for the CT images after 3D threshold segmenting and binarization. The effect of the operating is shown in Figure 9.
189
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
(a) (b) Figure 9. Effect of mathematical morphological processing for the slice 104 (a) before processing (b) after processing 2.3 Segmenting based on the geometrical feature of root system In order to remove most of the impurity whose density is very close to root system, a segmenting algorithm based on the geometrical feature was developed. Special algorithm was designed by the following principles: the spatial location of root system between adjacent slices and the change of its sectional shape and area are both continuous. As the root regions in the CT images of rhizome are very clear and easy to be recognized, so the first step of the algorithm is to setup the basement of recurrence with the analysis of the rhizome CT images. Then according to the spatial continuity of the root system, it is possible to find out the regions of root system downwards slice by slice and weed out the pixels of the impurity. Figure 10 shows the effect of geometrical segmentation.
a (b) Figure 10 Effect of geometrical segmentation (a) Slice 104 after segmentation (b 3D display of segmenting effect It is obvious that almost all impurity was removed after geometrical segmentation. Compared with the medical images segmenting methods available, the interactive segmenting algorithm get better segmenting effect.
190
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
3 CONCLUSIONS On the basis of analyzing the gray-level histograms of the whole images and typical slice images, the distribution of gray-level for the whole CT images was distinguished with three different regions. There is no clear boundary between the gray levels of root system and its media, of which the distributing range are intercrossed each other. According to the result from statistic analysis, it was determined that the range of threshold value is from 930 to 1230 for the 3D threshold segmenting of the root. After further morphological processing and geometrical feature-based segmenting, almost all the impure pixels with its density close to root system were removed from the CT images of the root. The result of programming experiment showed that the integrated algorithms is an more effective method for segmenting the images. Acknowledgements This research was supported by the National Natural Science Foundation of China under Grant No. 60375005. REFERENCES Cui Yi. 2000. Image processing and analysis—mathematical morphological methods and its applications. Beijing: Beijing Science Press. He Bin, Ma Tianyu, et al. 2002. Visual C+ + digital image processing (2nd edition). Beijing: People’s Posts and Telecommunications Publishing House. Luo Xiwen, Wu Changgao. 1999. The application of digital image processing to the analysis of root pattern and architecture. Proceedings of 99’ International Conference on Agricultural Engineering. Beijing, China:167-171. Luo Xiwen, Zhou Xuecheng, Yan Xiaolong. 2004. Visualization of plant root morphology in situ based on X-ray CT imaging technology. Transactions of CSAM. 35(2): 104106, 133. MacFall J.S. 1998. Visualization of root growth and development through magnetic resonance imaging. Current Topics in Plant Physiology: An American Society of Plant Physiologists Series.18:67-77. Milan Sonka, Vaclav Hlavac, et al. 2002. Image processing, analysis and machine vision (2nd edition). Beijing: People’s Posts and Telecommunications Publishing House. Sezgin M, Sankur B. Comparison of thresholding methods for non-destructive testing applications. IEEE ICIP’2001 [C]. Greece, 2001. Zhang Minjin. 2001. Image segmenting Beijing Beijing Science Press.
191
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Xiwen Luo, Xuecheng Zhou, Xiaolong Yan Инженерный колледж, Южно-китайский сельскохозяйственный университет, Гуанджоу, КНР ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА СЕГМЕНТАЦИИ ДЛЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ КОРНЕВОЙ СИСТЕМЫ РАСТЕНИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ПОМОЩИ ПОСЛОЙНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ НА ОСНОВЕ ИХ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ Резюме Корень является важным органом растения, через который усваиваются питательные вещества и вода из окружающей среды. Вследствие особой среды произрастания и сложной структуры корневую систему сложнее представить в количественной форме (квантифицировать), чем всходы. Наблюдение и измерение корневой архитектуры в естественных условиях всегда было «узким местом» в исследованиях корневой системы растений. В качестве попытки преодолеть этот барьер были получены изображения корней растений при помощи многослойной спиралеобразной (геликоидальной) компьютерной томографии (технологии формирования – обработки – изображений). Чтобы полностью отделить корневую систему от окружающей ее среды, необходимо осуществить успешное сегментирование для изображений (образов) корней. Сегментация изображения играет важную роль в его распознавании (интерпретации), определении параметров (измерений) и анализе. Точное выделение информации о геометрии корня является основой для реконструкции трехмерной модели. Однако на практике сегментацию изображения очень трудно выполнить, большая часть существующих подходов к сегментации изображения может быть применена к определенному типу изображений. Чтобы получить лучший сегментирующий эффект, был разработан и представлен в данной статье интерактивный метод сегментации, основанный на пространственном геометрическом признаке корневой системы и полутоновой информации ее изображений, полученных при помощи вышеуказанной томографии. После анализа полутоновых гистограмм всего трехмерного изображения и послойных изображений, были определены пороговые значения и выполнена бинаризация (преобразование в двоичную систему) изображений корней. Изображения были обработаны с использованием соответствующей математической структурной операции в соответствии с признаками трехмерной структуры корня. И наконец был разработан специальный алгоритм сегментации, основанный на геометрических характеристиках корневой системы, для удаления большей части посторонних включений, плотность которых очень близка к плотности корневой системы. Разработанный алгоритм на основе следующих принципов: пространственное расположение (определение) корневой системы между смежными слоями является непрерывным (целостным), и изменение формы и площади поперечного сечения является непрерывным. Так как ризом (корневой побег) на изображениях, полученных при помощи компьютерной томографии, близко к поверхности среды получается очень четким и его легко распознать, первым шагом алгоритма является ручное определение местоположения районов ризома и сегментация на 3-5 слоев изображений вблизи поверхности среды, так чтобы была установлена основа для периодичности (повторяемости). Затем в соответствии с пространственной целостностью корневой системы, оказывается возможным выявить районы корневой системы по направлению вниз слой за слоем и удалять пиксели посторонних включений. На основа192
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. нии результатов опыта по программированию, комплексные алгоритмы были более действенными с лучшими результатами сегментации изображений. Получено 14.05.2005. УДК 631.34/17:634.1-13 И.М. Куликов, д-р экон. наук, член-корр. РАСХН В.В. Бычков, д-р техн. наук; Г.И. Кадыкало, канд. техн. наук ГНУ ВСТИСП (г. Москва) РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РАБОТ В ПЛОДОВОМ ПИТОМНИКЕ Успешное возрождение садоводства, повышение его эффективности и рыночной устойчивости неразрывно связано с интенсификацией питомниководства. Для выполнения «Программы возрождения садоводства России к 2020 г.» необходимо обеспечить производство следующего количества посадочного материала (табл. 1). Таблица 1 Потребность РФ в посадочном материале плодовых и ягодных культур на 2010 год (ежегодное производство, тыс. шт.) Порода Семечковые Косточковые Земляника Смородина Малина Крыжовник Другие ягодные культуры
1 репродукция 40350 25935 825000 90000 70000 9000 8364
Одним из условий выполнения данной программы является разработка и внедрение прогрессивных комплексов машин и оборудования для механизированного ухода за растениями в питомниках. Основными тенденциями развития машин для механизации трудоемких процессов в питомниководстве, в том числе в плодовом питомнике, является увеличение производительности, снижение экологической нагрузки на окружающею среду, уменьшение расхода пестицидов, снижение материалоёмкости и расхода горючего, повышения качества работы и универсальности, улучшение условий труда обслуживающего персонала. Речь идет о внедрении новых интенсивных ресурсосберегающих, почвозащитных и экологичных технологий, дающих возможность значительного роста производительности труда, снижения потерь, повышения качества продукции и, при этом, уменьшения расхода топлива в 1,5-2 раза. Как следствие, значительно повышается экономическая эффективность производства плодовых саженцев. Существующие и применяющиеся в настоящее время в большинстве хозяйств механизированные технологии возделывания плодовых питомников являются многооперационными, где на каждую операцию выпускается и приобретается отдельная ма193
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. шина. Отсюда крайняя экологическая напряженность технологических процессов, многочисленность операций и технических средств, весьма скромные результаты по сокращению затрат труда и росту производства продукции. Значительной трудностью для создания технических средств механизации в питомниках, является отсутствие в стране высококлиренсного энергетического средства с необходимой мощностью двигателя. Применение высококлиренсных самоходных шасси чайной и табачной модификации Т-16ММЧ и Т-16МВТ не дало желаемых результатов, так как мощность двигателей этих шасси не позволяет их эффективно использовать на основной операции при уходе за питомниками, при междурядной обработке, особенно машинами с фрезерными рабочими органами. Использование этих шасси возможно лишь на работах, не требующих больших затрат мощности. Кроме того, эти шасси не отвечают современным экологическим, эргономическим и эстетическим требованиям. Суммируя вышесказанное, можно утверждать, что на современном этапе необходимы машины, дешевые, экономичные, производительные, универсальные, рассчитанные на массового потребителя, обеспечивающие запросы ресурсосберегающих технологий, соответствующие более высокому классу в сравнении с существующими агрегатами, объединяющие целый ряд технологических операций, отвечающие требованиям энерго-, ресурсосбережения и экологичности, сокращающие потребность тракторного парка и ГСМ. Примером удачно скомпонованного технологического комплекса для работ в плодовом питомнике, отвечающего выше упомянутым требованиям, служит, разработанный во Всероссийском селекционно-технологическом институте садоводства и питомниководства, специализированный технологический комплекс, состоящий из высококлиренсного энергетического средства на базе самоходного шасси ВТЗ-30СШ и монтируемых на него машин для ухода за растениями в плодовом питомнике. Данный комплекс машин состоит из культиватора пропашного КС-2,7А, культиватора фрезерного КФС-2,7А, опрыскивателя малообъемного ОМ-400В, пневмоагрегата для обрезки АСВ-8В. Техническая характеристика данного комплекса приведена в табл. 2. Таблица 2 Техническая характеристика комплекса машин для плодового питомника Показатели Производительность за час основного времени, га/ч Рабочая скорость, км/ч Ширина захвата, м Число обрабатываемых междурядий, шт. Масса, кг, не более Количество обслуживающего персонала, чел. Глубина обработки, см Расход жидкости (раствора), л/га Максимальный диаметр срезаемых ветвей, мм
194
КС-2,7А
Значение показателей КФС-2,7А ОМ-400В
АСВ-8В
1,1
0,5
до 2,0
0,8
до 3,4
2,2
5,7
2,7
2,7
2,7
работает позиционно 11
3
3
3
12
450
650
350
450
1
1
1
9
до 15 -
до 8,5 -
70-400
-
-
-
-
30
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Культиватор пропашной КС-2,7А (рис. 1) предназначен для глубокого рыхления почвы междурядий саженцев, уничтожения почвенной корки, удаления сорняков с помощью рыхлительных лап на жестких стойках, стрельчатых лап, плоскорежущих лапбритв.
Рис.1. Культиватор пропашной КС-2,7А на самоходном шасси ВТЗ-30СШ. Культиватор фрезерный высококлиренсный КФС-2,7А предназначен для рыхления и выравнивания почвы, уничтожения сорняков с заделкой их в поверхностный слой, с целью снижения ветровой и водной эрозии. Опрыскиватель малообъемный высококлиренсный ОМ-400В предназначен для химической защиты растений в плодовых питомниках от сорняков, вредителей и болезней методом малообъемного опрыскивания и может быть использован для поверхностного внесения жидких минеральных удобрений. Разработан на базе серийного опрыскивателя ОМ-400-12. Агрегат для обрезки растений АСВ-8В предназначен для подчистки штамбов подвоев, срезки подвоев семечковых и косточковых культур, вырезки шипов и удаления дикой поросли в плодовом питомнике, а также обрезки саженцев, обрезки и формирования кустов, срезки однолетних побегов на маточнике смородины. В 2004 году отделом испытаний ФГНУ «Росинформагротех» были проведены приемочные испытания высококлиренсного энергетического средства с технологическим оборудованием для ухода за растениями в плодовых питомниках на опытной станции «Центральная», ВСТИСП, предусматривающие агротехническую оценку по КФС-2,7А, ОМ-400В, АСВ-8В. В процессе определения показателей качества выполнения технологического процесса культиватором КФС-2,7А (рис. 2) было установлено: 195
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. 1. При рабочей скорости 1,8 км/ч средняя глубина хода рабочих органов составила 8,7 см. 2. Средняя величина защитной зоны равна 11,2 см, а повреждения растений составили 1,0 %. 3. Уничтожение сорняков в зоне обработки равно 89,5%.
Рис. 2. Общий вид культиватора фрезерного КФС-2,7А в агрегате с высококлиренсным энергетическим средством в работе При лабораторных и лабораторно-полевых испытаниях опрыскивателя ОМ-400В (рис. 3) были получены следующие показатели: 1. Фактический расход рабочей жидкости через распыливающие устройства составил 0,87 л/мин при давлении 0,1 МПа и 1,65 л/мин при давлении 0,4 МПа. 2. Неравномерность расхода рабочей жидкости между отдельными распылителями по ширине захвата машины на рабочих давлениях 0,1 и 0,4 МПа равна 3,3 и 2,5% соответственно. 3. Качество обработки листовой поверхности при заданной норме расхода рабочей жидкости 400 л/га получено удовлетворительным. Густота покрытия листовой поверхности каплями более 150 шт./см составила в первом ряду 70% и 30% от 150 до 30 шт./см. Залитые и необработанные карточки отсутствуют. Во втором ряду густота покрытия листовой поверхности каплями более 150 шт./см2 составила от 90 до 100%. 4. Средневзвешенный по опыту медианно-массовый диаметр капель по верху листа равен 301 мкм, а по низу листа 247 мкм. Агротехническая оценка агрегата АСВ-8В (рис. 4) проводилась на обрезке кустов черной смородины сорта «Улыбка» (возраст 8 лет). В результате лабораторно-полевых испытаний установлено, что полнота обрезки растений пневмосекаторами составила 100%. Доступ режущего инструмента в рабочую зону удобен. Пневмосекаторы обеспечивали ровный и гладкий срез, некачественных 196
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. срезов не было. Максимальный диаметр срезанных ветвей ограничивался диаметром веток кустов смородины и составил 23 мм. Пневмосекаторы позволяют обрезать ветки большего диаметра по сравнению с обрезкой веток ручными секаторами.
Рис. 3. Общий вид опрыскивателя малообъемного ОМ-400В в агрегате с высококлиренсным энергетическим средством в работе
Рис. 4. Общий вид агрегата для обрезки растений АСВ-8В в агрегате с высококлиренсным энергетическим средством в работе
197
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. Высококлиренсное энергетическое средство в агрегате с культиватором КФС2,7А; опрыскивателем малообъемным ОМ-400В и агрегатом для обрезки растений АСВ-8В качественно выполняет технологический процесс рыхления почвы и уничтожения сорняков; обработки растений пестицидами и обрезки кустарников. В конечном итоге, разработанный ресурсосберегающий комплекс имеет меньшую металлоёмкость, снижает расход пестицидов и жидких минеральных удобрений до 5 раз, затраты труда до 20%, улучшает условия труда обслуживающего персонала по сравнению с комплексом на базе самоходного шасси Т-16МВТ, что позволит получить высококачественный посадочный материал. Основываясь на данных системного анализа по аспектам механизации питомниководства можно предположить, что в ближайшие годы главными останутся следующие задачи: - повышение технического уровня существующих специализированных машин; - создание и организация производства высококлиренсного трактора кл. 0,9 и 1,4 с клиренсом не менее 1500 мм; - централизация конструкторских разработок по перспективным комплексам машин для возделывания питомников, как в разрезе культур, так и объемов и форм производства; - создание достаточного единого шлейфа машин к высококлиренсным тракторам кл. 0,9 и 1,4; - организация производства машин на предприятиях в зонах промышленного производства саженцев; - разработка требований к питомникам, обеспечивающих максимально допустимое удовлетворение инженерных требований. Решение этих задач станет залогом тому, что производство саженцев семечковых, косточковых и ягодниковых культур будет в достаточном объеме обеспечено средствами механизации. ЛИТЕРАТУРА 1. Куликов И.М., Цымбал А.А. Совершенствование технологических комплексов для механизации питомниководства //Сб. научн. докладов 2-ой международной научнопрактической конференции «Научно-технический прогресс в садоводстве», часть 1, М, 2003. 2. Бычков В.В. Перспективы механизации трудоемких процессов в питомниководстве //Сб. научных работ «Плодоводство и ягодоводство России», том IX, - М, 2002. 3. Кашин В.И. Научное обеспечение питомниководства России //Материалы международной научно-практической конференции «Промышленное производство оздоровленного посадочного материала плодовых, ягодных и цветочно-декоративных культур», - М, 2001. Получено 25.05.2005.
198
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
I.M.Kulikov, DSc (Econ), Corresponding Member of RAAS, V.V.Bychkov, DSc (Eng), G.I. Kadykalo, Cand.Sc (Eng) All-Russia Plant-Breeding and Technological Research Institute of Horticulture and Fruit Crop Nurseries, Moscow, Russia RESOURCE-SAVING MACHINERY FOR FRUIT-CROP NURSERIES Summary Successful revival of horticulture, its higher efficiency and market sustainability is closely connected with the increase in fruit crop nursery activity. To implement the Program of Horticulture Revival by the year 2020 a set of up-to-date machinery and equipment for mechanized handling of plants in fruit crop nurseries is to be designed and applied that would provide high performance, lower environmental loads, pesticide rates, fuel and materials consumption along with increased product quality and better working environment for the staff. The machine-based techniques currently in use in fruit crop nurseries are include numerous steps, with the each being performed by a special machine. Hence heavy environmental loads, excess of operations and machines, and only limited success in labour input reduction and increase in production. The institute has designed a special set of machinery for plant handling, which is based on a high-clearance carrier (power unit) with the mounted hoe, rotary cultivator, small volume sprayer, and pneumatic cutting unit. In 2004 the offered machinery set passed acceptance tests on the experimental farm “Central” of the institute, where 20% lower labour inputs and 5-fold lower pesticide and liquid mineral fertilizer consumption was demonstrated.
И.Г. Смирнов, канд. с-х. наук Россельхозакадемия, Москва ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ФОРМИРОВАНИЯ АДАПТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ ЯГОДНЫХ КУЛЬТУР Развитие отечественного садоводства и повышение конкурентоспособности его продукции, прежде всего на внутреннем рынке, возможно лишь на основе введения в хозяйственный оборот высоких технологий, адаптированных к ландшафтноклиматическим условиям местности и технико-экономическому уровню развития конкретных садоводческих хозяйств. На современном этапе развития знаний и информационных технологий достаточно широкое распространение получают системы автоматизированного проектирования технологий возделывания сельскохозяйственных культур и поддержки принятия решений при их реализации. При создании подобных систем основными критериями проектирования агротехнологий являются экономические факторы: получение максимальной прибыли при снижении удельных затрат ресурсов. В то же время стабильное эффективное развитие сельскохозяйственного производства, полная реализация биологического потенциала растений и почв невозможны без учета экологических факторов и экологического нормирования, т.е. без нормирова199
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. ния антропогенного воздействия на экосистему в пределах её экологической емкости, не приводящего к нарушению механизмов саморегуляции. При проектировании агротехнологий и их корректировке в зависимости от изменения природных факторов необходимо стремиться к тому, чтобы неизбежное антропогенное воздействие на природу, в первую очередь, воздействие на организмы через изменение человеком среды их обитания и естественных ландшафтов, не носило характер антропогенного загрязнения и не являлось лимитирующим фактором жизнедеятельности организмов и экосистем. Система формирования и оперативного управления адаптивными агротехнологиями возделывания ягодных культур (черной смородины в частности) с использованием современных инфокоммуникационных технологий и средств управления базами данных разрабатывается во Всероссийском селекционно-технологическом институте садоводства и питомниководства (ГНУ ВСТИСП) г. Москва. Апробацию и эксплуатацию системы автоматизированного формирования и управления агротехнологиями возделывания черной смородины планируется проводить в СПК "Одоевское" Тульской области, специалисты которого принимают активное участие в разработке системы. В качестве основных требований к системе проектирования и гибкого управления технологиями выдвигаются следующие: - возможность постоянного наращивания и уточнения базы данных по применяемым технологическим операциям и техническим средствам, включая новейшие научные разработки; - доступность для пользователя системы (сельхозтоваропроизводителя) используемых средств управления технологическими процессами; - возможность эффективного использования в различных финансово-правовых формах организации производства; - применение элементов автоматизированного контроля и централизованного управления техническими средствами, привлекаемыми в технологию; - оперативное качественное и количественное масштабирование при изменении уровня интенсификации производства (технико-экономических условий); - доступ к изменению и уточнению технологических операций на любом этапе реализации технологии в зависимости от реально складывающегося производственного положения в СПК; - возможность получения информации о величине предполагаемых результатов по мере ввода текущих данных о структуре и полноте реализации операций; - возможность нивелирования негативного влияния абиотических факторов среды (природно-климатических условий); - учет влияния местных ландшафтно-климатических условий при проектировании агротехнологии. Применение системы формирования и управления агротехнологиями позволяет оптимизировать набор технологических операций и технических средств, наиболее полно реализовать биологический потенциал растений, свести к минимуму возможные непредвиденные риски, просчитать экономическую и технологическую эффективность выбранного варианта реализации агротехнологии с учетом максимального количества факторов на любом из этапов выполнения. Использование современных средств управления данными дает возможность гибко и оперативно реагировать на изменение экологических факторов среды путем изменения набора и состава технологических операций. 200
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Для нивелирования негативного влияния природно-климатических факторов (весенних заморозков, недостатка влаги и температуры в важные биологические периоды роста), предотвращения развития сорняков и вредителей система позволяет корректировать набор технологических операций: своевременное проведение весеннего рыхления и внесения удобрений, противозаморозковые, вегетационные и влагозарядковые поливы, увеличение числа обработок почвы и сокращение сроков уборки урожая. Для рационального распределения финансово-технических возможностей хозяйства система рассчитывает предполагаемую урожайность ягодной культуры в зависимости от абиотических экологических факторов (влажность воздуха в определяющие периоды развития растения – образование завязей, окончание цветения). Вышеописанные принципы формирования и управления обеспечивают стабильный и достаточный уровень выходных показателей агротехнологии вне зависимости от влияния внешних факторов. Реализация современных интенсивных агротехнологий производства плодовоягодной продукции, созданных с учетом ландшафтно-климатических и техникоэкономических возможностей конкретного хозяйства, позволит повысить производительность труда, сократить затраты материальных и энергоресурсов, реализовать биологический потенциал ягодной культуры и, в конечном счете, обеспечить стабильное получение прибыли. Система формирования и оперативного управления адаптивными агротехнологиями возделывания ягодных культур, в основу которой, помимо техникоэкономических, закладываются и экологические критерии, обеспечивает сохранение и увеличение уровня естественной продуктивности культуры, тем самым, создавая основы стабильного высокодоходного сельскохозяйственного производства. ЛИТЕРАТУРА 1. Смирнов И.Г., Хорошилов В.Н., Цымбал А.А., Методологические принципы разработки гибкой технологии выращивания черной смородины. / Избранные труды научного семинара. КБГСХА.- Нальчик. -2004.- с 40-42 2. Свентицкий И.И. Принципы обоснования экологичных аграрных технологий и техники. Экология и сельскохозяйственная техника Материалы 3-й научнопрактической конференции – СПб.- Павловск: СЗНИИМЭСХ, 2002. – т. 3. 3. Артюшин А.А., Антышев Н.М. и др. Основные направления технологического обеспечения растениеводства. Совершенствование методологии и нормативноправовых основ механизации сельского хозяйства. / Научные труды ВИМ, т.140.-М.: ВИМ, 2002.- с.23-31 Получено 25.05.2005.
201
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
I.G.Smirnov, Cand. Sc. (Eng), Russian Academy of Agricultural Sciences, Moscow, Russia ENVIRONMENTAL CRITERIA FOR DESIGNING ADAPTIVE TECHNIQUES FOR SMALL-FRUIT CROP GROWING Summary The further development of Russian horticulture and competitiveness of its products is closely linked with the practical introduction of high technologies, which are adapted to the landscape and climate conditions of the area and technical and economic level of particular horticultural farms, and also take into account environmental factors. The automated system of designing and day-to-day management of adaptive farming practices of growing small-fruit crops, black currents in particular, with the use of up-to-date information and communication technologies and database management means is being presently developed at All-Russia Plant-Breeding and Technological Research Institute of Horticulture and Fruit Crop Nurseries, Moscow. This system will define the optimal set of technological operations, machines and equipment; realize the biological potential of plants to the fullest extent; minimize the possible risks; calculate economic and technical efficiency of the chosen option with the due account for the maximum factors on each step.
Ю.В.Лукинский, канд. техн. наук Вологодская государственная молочно-хозяйственная академия им. Верещагина (ВГМХА), Вологда ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ УБОРКИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР В СЕВЕРО-ЗАПАДНОМ РЕГИОНЕ РОССИИ Экологическая сбалансированность сельскохозяйственного производства, в настоящее время еще не достигнутая в АПК, выдвигает весьма жесткие требования к агроинженерной сфере. Дифференцированное использование агроэкологического потенциала: почвы, растений, рельефа, климата возможно за счет применения гибких технологий производства продукции, максимально адаптированных к агроландшафтам; внедрения техники и рабочих органов, отвечающих конкретным почвенно - климатическим особенностям зоны с учетом мелкоконтурности полей и площадей с пересеченным рельефом. Суть адаптивной технологии состоит в том, что она содержит в себе предпочтительную для данных условий совокупность научно обоснованных технологических приемов и технических средств. В основе адаптивной технологии уборки зерновых в Северо-Западном регионе лежат принципы многовариантности, системности и экономичности. Совместное действие агротехнических, метеорологических, почвенных факторов и биологических особенностей культуры определяет на каждом поле случайный характер изменения показателей стеблестоя. Для качественной и количественной оценки колебательных процессов, возникающих в молотилке комбайна в условиях реальной эксплуатации нами определены характеристики стеблестоя районированной в Вологодской области озимой ржи «Чулпан». Загрузка рабочих органов комбайна опре202
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. деляется подачей растительной массы, поэтому особый интерес представляет изменение урожайности растительной массы по длине убираемого участка, колебанием которой обусловлена неравномерность подачи. Так как формирование растений происходит под влиянием большого числа независимых или мало зависимых между собой факторов, то статистические распределения характеристик стеблестоя оказались близкими к нормальному распределению. В таблице 1 приведены средние значения, среднеквадратические отклонения, а также коэффициентные вариации анализируемых показателей хлебостоя. Таблица 1 Характеристики стеблестоя Показатели Урожайность растительной массы, ц/га Урожайность зерна, ц/га Содержание зерна, % Влажность стеблей, % Влажность зерна, %
Среднее значение
Среднеквадратическое отклонение
Коэффициент вариации
119,2
25,4
21,3
27,4 23,0 50,5 24,2
5,5 4,6 3,5 1,6
20,1 20,1 7,0 6,6
Установлено, что изменение урожайности по длине гона является стационарным случайным процессом, представляющим собой незатухающие колебания с непрерывным спектром частот и случайными амплитудами. На среднее значение урожайности растительной массы накладываются синусоиды с длиной волны от 40 до 125 метров с преобладанием волн длиной около 60 метров. Причем, по условию «трех сигм» амплитудный диапазон колебаний составляет 119,2 ± 76,2 ц/га. Такие воздействия получает комбайн при скорости движения 1 м/с. С увеличением скорости частота изменения загрузки возрастает. При среднем значении 119,2 ц/га коэффициент вариации составил 21,4%, т. е. урожайность растительной массы озимой ржи на отдельных участках поля отличается в четыре раза. Ведущим началом в процессе обмолота поступающего в молотилку потока растений является скоростной режим молотильного барабана. Сопоставление спектра колебаний частоты вращения барабана со спектром урожайности растительной массы даёт основание утверждать, что наряду с частотами колебаний урожайности в спектре колебаний барабана присутствуют и более высокие частоты, обусловленные порционностью подачи, вносимой транспортирующими органами жатки при перемещении растительной массы от ножа к барабану. Исследованиями установлено, что лучший вымолот и меньшее травмирование зерна получается, когда колебания частоты вращения не резкие, а достаточно плавные с амплитудой в пределах 2 … 3% от средних значений. Освоение высокоинтенсивных адаптивных технологий производства зерна в Северо-Западном регионе предполагает использование зерноуборочных комбайнов повышенной проходимости с пониженной удельной нагрузкой на почву. Схема размещения колес, размеры и форма шин, конструкция протектора, давление воздуха в шинах выбираются из условия минимума уплотняющего воздействия на почву и обеспечения оптимальных энергетических затрат на передвижение машины. При выборе параметров колесного хода безусловно предполагается, но практически не учитывается то обстоятельство, что колебания, возникающие при движения комбайна по неровному полю, оказывают отрицательное воздействие на технологический процесс. На восприимчи203
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. вость к внешним возмущениям и взаимосвязь колебаний переднего и заднего мостов влияет компоновка комбайна – распределение масс, воздействующих на упругие элементы ходовой части – пневматические шины. Например, эксплуатационная масса комбайна «Дон-1500» составляет 13,4 тонны, причем две трети нагрузки приходится на передний мост. Если учесть, что высота грунтозацепов на шинах передних колес 70 мм (коэффициент насыщенности рисунка протектора составляет 0,22), а нагрузка на почву передается лишь через них, это может отрицательно сказаться на микроструктуре почвы и ее плодородии. Данный вопрос требует дополнительных исследований. Статические нагрузки на мосты комбайна зависят от степени заполнения бункера и копнителя, комплектации агрегата жаткой или подборщиком (таблица 2). Таблица 2 Статические нагрузки на мосты комбайна «Дон-1500» Навеска
Бункер
Копнитель
Подборщик Подборщик Жатка Жатка
пустой полный пустой полный
пустой полный пустой полный
Нагрузки на мосты, кН ведущих управляемых колес колес 48,0 16,7 56,9 29,7 58,0 13,9 67,0 25,7
Следует отметить, что в условиях эксплуатации при движении комбайна по неровному полю нагрузки на осях колес претерпевают существенные изменения. Исследованиями установлено, что для нормального протекания технологического процесса жесткость шин должна быть такой, чтобы прогибы передних и задних колес были одинаковы. В этом случае остов комбайна будет колебаться горизонтально, без галопирования. На деле же центр масс комбайна в процессе работы смещается по мере заполнения и опорожнения емкостей бункера и копнителя, и частоты колебаний мостов меняются в значительных пределах. Поэтому рекомендуемые заводом-изготовителем давления в шинах ведущих колес -171 кПа и в шинах управляемых колес – 147 кПа не могут обеспечить весь спектр изменения нагрузок, и шины в процессе эксплуатации постоянно или перегружены, или недогружены. Это оказывает отрицательное воздействие на протекание технологического процесса и увеличивает энергозатраты на перемещение комбайна по полю. Оптимизация работы колес с пневматическими шинами осуществима лишь путем воздействия на деформационные свойства шин. Гарантированное использование деформируемости шин в различных условиях работы должна обеспечивается путем оснащения комбайна системой автоматического регулирования давления воздуха, которая бы позволяла существенно улучшить показатели взаимодействия колеса с почвой. При этом на 20% уменьшается глубина следа. Изменение урожайности растительной массы убираемой культуры, неровности рельефа поля, колебания массы комбайна из-за изменений в процессе уборки массы зерна в бункере и соломы в копнителе могут приводить к существенным изменениям кинематического режима рабочих органов и механизмов зерноуборочного комбайна, что отрицательно повлияет на производительность и качество его работы. Для стабилизации кинематического режима желательно воспользоваться механизмом привода рабочих органов по типу разработанного учеными нашей академии (ВГМХА). Сохранению и приумножению плодородия почвы способствует рациональное использование соломы. В складывающихся условиях снижения почвенного плодородия 204
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. для пополнения почвы свежим органическим веществом целесообразно не менее 70…75% незерновой части урожая (НЧУ) зерновых колосовых культур использовать для заделки в почву. Внесение измельченной НЧУ зерновых культур должно сопровождаться дополнительным внесением азотного удобрения на поверхность измельченной соломы из расчета 10 кг действующего вещества на 1 тонну НЧУ. Известно, что 1 т измельченной соломы в сочетании с азотными удобрениями эквивалентна 3…3,5 т качественного навоза. Это обеспечит сохранение гумуса в почве, а при фоновом применении минеральных удобрений N120Р60К40 под сельскохозяйственные культуры и его ежегодный прирост в количестве 0,016%. Благоприятных результатов можно ожидать также при сочетании удобрения соломой с навозной жижей. Расчеты показывают, что использование измельченной незерновой части урожая зерновых культур в качестве органического удобрения даёт более высокий экономический эффект, чем использование её на кормовые цели в животноводстве. Предложение разбрасывать солому по полю соответствует реально сложившимся условиям. Поля готовы для обработки под урожай следующего года. В результате оставления соломы прямо на поле объем механизированных работ уменьшается, что положительно влияет на энергетический КПД данной технологии и комплекса машин. Надеюсь, что полученные нами результаты изучения проблем агроландшафтного земледелия как подсистемы внешней среды в производстве зерна создают условия для более полной формулировки исходных требований к средствам механизации с широкими адаптационными свойствами, которые предусмотрены утвержденной РАСХН «Стратегией машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России на период до 2010 года». Получено 25.05.2005.
Yu.V.Lukinskij, Cand. Sc. (Eng), Vologda State Dairy Academy, Vologda, Russia ENVIRONMENTAL CRITERIA FOR ESTIMATION OF GRAIN HARVESTING TECHNIQUES AND MACHINERY IN THE NORTH-WEST OF RUSSIA Summary The paper presents some ideas on designing the grain growing techniques and machines, which would be best adapted to climatic, landscape, and economic conditions of the North-West of Russia. For the qualitative and quantitative estimation of grain harvesting methods and machinery the characteristics of winter rye stands of adapted variety “Chulpan”, and yield variations along the combine harvester run were defined. The combine harvester design is considered from the standpoint of trafficobility, soil surface load and target grain quality. The techniques of soil application of straw after the grain harvesting that would promote the soil fertility, are considered.
205
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. Jinag Yi-yuan7; Zhang Hui-you; Xu Jia-mei; Tu Chen-hai; Luo Peizhen Jiang En-chen; Wang Jing-wu; Na Ming-jung; Han Bao PROGRESS IN STRIPPER HARVESTER DEVELOPMENT AND A NEW COMBINE STRIPPER HARVESTER FOR SIMULTANEOUS GRAIN AND STRAW HARVESTING ABSTRACT In this paper briefly reviewed the recent progress in stripper harvester development since the emerge of stripper header invented by AFRC UK. Many attempts were made in many countries like U.S.A., Russia, China and etc. aiming at expanding its function of cutting and windrowing the straw immediately after stripping and furthering the reduction of free grain loss. The second part of the paper is the introduction of a new developed pneumatically conveying combine harvester with cutting and windrowing the straw at the same operation of stripping the grain. INTRODUCTION Since the emerge of stripper header (SH) invented by AFRC UK in mid 1980’s there has been a lot of attempts made focusing mainly on enhancing its adaptability to abnormal crop conditions or on developing a purposely-built stripper combine. The threshing, separating and cleaning mechanisms in the conventional combine to which the SH is mounted usually in no way match well the header in their performance and outputs. Therefore a trailed harvester based on a stripping rotor was developed by Hobson (1988) towards compacting the machine with a pre-separator, a conventional threshing drum and a rotary separator. Field trial results justified its compactness , its performance and high efficiency of harvesting wheat and barley but a high content of chaff in grain was resulted due to the lack of a cleaning system. In front of stripping rotor in a modified SH developed by Sabanov (1985) ВИСХОМ (1985) was put an additional rotor revolving in the opposite direction for improving the lodged crop harvesting, at the same time a cutter-bar for cutting the straw was positioned straight behind the SH. But the cut straw was not windrowed and was trodden by the machine’s wheels. An attempt was made by Neale (1991) towards fitting a hydraulically powered cutter-bar behind the SH. The straw was fed onto two draper belts and swathed into a single windrow suitable for a baler to deal with. The performance of that device was unsatisfactory according to the author. The preliminary use of the stripping harvesting technology in China showed that in most cases the stripped straw should be harvested at the same operation of stripping the grain. Because the straw trodden by the harvester and the grain transshipper in the field could not be fully harvested, leading to hindering the field operation for the successor crop in the multi-crop areas. As to harvesting the straw immediately after stripping, some early attempts were made in China by simply fitting the commercially available side-delivery reaper (windrower) straight behind the SH. The machine turned out to be extremely long, weakening the machine’s stability, and what’s more the transverse convey-
7
The author is: JANG YIYUAN, Academician , Chinese academy of Engineering ,Professor of Northeast Agricultural University , Harbin,150030,P.R.China , Email : yyjiang @ neau.edu.cn The co-authors are professors, associated professors and senior engineers respectively of Northeast Agricultural University, P.R.China
206
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
ing of the standing straw often causes the clogging, resulting in limiting the machine’s swathe and speed. 1. OBJECTIVE OF RESEARCH The objective of research reported in this paper is to develop a new combine harvester for rice (secondly for wheat) with cutting and windrowing the straw immediately after stripping. A pneumatic conveying system is introduced into the patented design of the new machine so that the auger and intermediate conveying means like the belt or roller or shaker etc. as in SH of UK can be omitted. Consequently, a spacious room for the cutter-bar and windrower is obtained. At the same time the free grain loss might be reduced by virtue of the air suction at the entrance of stripping rotor which may be enhanced by the air flow produced from the pneumatic system A new rethresh-cleaning system was developed specialized for stripper harvesting, characterized with much less MOG in the threshed material than that in conventional combine harvester in which the existing straw walker and threshing apparatus are evidently not being fully functioned and made do for temporary use. 2. COMBINE DESCRIPTION Fig.1 is a schematic arrangement of that new developed combine stripper harvester "4ZTL-l800".It shows the grain and chaff are stripped at the entrance of stripping rotor(l) under the hood(2) are sucked and conveyed through conduit(5), the raking booster for enhancing trash conveying(7),upper conduit(8) into the depositing chamber(26) and down to the discharge rotor(l2), while air flow along with debris goes through fan(36) to the atmosphere. The mixture of grain and chaff are then conveyed to axial flow rethresh-cleaning system in which the broken straw moves axially and to be expelled outside of machine. The light chaff
Fig..l Schematic arrangement of rice (wheat) combine stripper harvester "4ZTL-l800" l.stripping rotor 2.hood 3. teeth on rotor 4.stagger positioned teeth on conduit bottom 5.conduit 6.7.tines and drum of raking booster 8.9.conduit l0.exit for recycling 1 l .blade 12.discharge rotor 13.cross flow fan 14.cylinder 15.concave l6.horizontal auger l7.vertical auger l8.auger case l9.shutter 20.container 2l.discharge b1ade 22.sheave 23.ball bearing 24.blade on ring distributor 25.conic reflector 26.depositing chamber 27.belt conveyer 28.cylindrical sieve 29.intermediate cylinder 30.outer cylinder 3l. pushing rod 32.crank shaft roller 33.knife 34.guard with upward point 35.rod of revolving rake 36.fan 37.detachable axial flow rethresher 38.suspension spring falling down with the grain from concave is win207
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
nowed by a transverse air flow produced by cross flow fan (l3). The preliminarily cleaned grain is then transferred from the horizontal auger (l6) to the vertical one (l7) and the vertical positioned cylindrical sieve cleaning system. Finally the cleaned grain flows through the outlet of container (20) into the sack. 3. INNOVATIVE POINTS ∆ The bottom of conduit is positioned tangentially to the rotor's drum for enhancing air flow speed in conduit. ∆ The staggeredly positioned teeth (4) with the teeth on rotor are fixed on the front edge of the conduit's bottom. That aims to intercept and recover the moving grain in the space between the teeth, (their trajectories denoted by 2, 3, 4 are shown in Fig. 2) which, otherwise, will be brought outside the machine by the annular air flow in the space. As to the grain moving in frontage of rotor's teeth like its trajectory l in Fig. 2, which shows grain doesn't rebound from fixed teeth, will be co11ected into the recovery chamber in which grain is conveyed to conduit through the auger and impeller-blower. The effectiveness of foregoing two designs is justified both by the high-speed cinematography with frequency of 1500-3000 frame per second as shown in Fig. 2 and by the field trials, particularly as harvesting in earlier stage.
Fig. 2 The moving grains in space between teeth are intercepted by fixed teeth and rebound up. Their trajectories are recorded by high speed cinematography
∆ The floating cutter-bar shown in Fig l, sliding on ground contouring terrain longitudinally and lateral1y is set closely behind the stripping rotor so that as the top part of the plant just leaves the stripping rotor the straw comes to be cut. The knife assembly is driven by vertical crankshaft (32) on which is fixed the revolving rod (35) for raking the cut straw at front of the crawler to the center of machine forming a windrow between crawlers. The revolving rod in front of the other side crawler rotates counter wise to the previous one. The suspension spring (38) facilitates the floatation of cutter-bar. The cut straw on the central portion of the swath moves over the cutter-bar by means of its inertia and the stiffness of the foregoing uncut straw. In case of harvesting the wet crop at the earlier stage, the inertia and stiffness is inadequate to push straw over the cutter-bar, then an eccentric raking mechanism developed by author as shown in Fig.3, is insta1led on the centra1 portion of the swath as an optional device. That organ ensures the dependability of straw windrowing.
208
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Fig.3 The floating cutter bar and windrowing mechanism with an eccentric mechanism for the wet crops
∆ A vertical positioned, cylindrical sieve cleaning system was developed specialized for stripping harvesting ,which is characterized by much less MOG in threshed materials. Its construction and technology as follows: The rethreshed materials through the horizontal auger enter the vertical one (17). The unthoroughly threshed ears undergo a further threshing in the clearance between the auger flight and its case (18) in the course of elevation. The upper half of the case is a perforated cylindrical sieve (28). By virtue of the centrifugal force the grain and the debris along pass through the sieve ho1e effectively and then drop down through the annular channel confined by the cylindrical sieve and intermediate cylinder (29) onto the ring distributor ,the blades(24)of which throw the mass horizontally ,forming a very thin layer and strike against the conic reflector(25)at the bottom end of the outer cylinder (30). The upward air flow in outer annular channel (30) produced by the fan (36) penetrates that thin layer of mass, bringing debris through the fan (36) to atmosphere. The reflector imparts the grain a higher rebounding vertical down ward speed, providing good potential to increase the upward speed of air flow for raising the cleaning efficiency .The grain and unthreshed ear, if there is, among the chaff at the upper end of the vertical auger are discharged by the blade (11) into the exit (10) and through the cross tube into the depositing chamber for recycling in the system .The grain deposits in container (20) and is discharged by blade (2l) attached on lower half of the sheave (22) running on 3 ball bearings (23). The grain flows through the outlet of container into the sack. On upper half of the sheave are fixed the blades (24), which constitute a ring distributor. 4. MACHINE’S PERFORMANCE AND FEATURES As the rice being harvested, its moisture content, grain’s readiness to be shelled or broken , consequently, and machine’s harvesting performance are all disparate between before and after hoar frost occurrences therefore the field trials were arranged on foregoing two periods respectively. Its results are shown in Table l, for harvesting wheat in Table 2. The data of Shelbone SH model “RX-24” tested in the identical province and with similar conditions are offered by its dealer in china and cited aside for reference. In the course of 4-year fie1d testing in production conditions the prototype of full size harvested 40 hm2 of rice and less amount of wheat.
209
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Table 1 Field Trial Results* of Stripper Combine Harvester“4ZTL-1800” in harvesting Rice Period of trial Date Height of panicles from ground (cm) Range of panicle height variation (cm) Moisture content of Grain, MOG (%) Crop yield (Kg /hm2) Thousand grain weight (g) Ground speed of machine (m/s) Swath (m) Stubble height (cm) Total grain loss (%) Free grain (Kg /hm2) (%) Unthreshed grain (%) Separation loss (%) Shoe loss (%) Hulled & broken grain (%) Cleanliness of grain (%) Theoretical output (hm2/h)
After hoar frost
Before hoar frost
Oct. 5, 1995
Sept. 23, 1996
Sept. 26, 1996
Sept. 26, 1998
67.9
78
74
77
26.2
34
42
31.8
15.7; 52.2
26.5; 70.2
25.4; 66.6
22.2; 67.5
8300
6688
7240
11466
26.1
28.3
27.5
28.7
1.17
1.28
1.80 6.14 7.71 0.78 1.09 23.5 34.2 0.28 0.41 0.08 0.20 0.40 0.47 0.01 0
0.70
1.33
0.73
1.43
1.18
1.39
1.80 5.10 5.40 2.25 2.56 19.8 19.1 0.30 0.29 0.07 0.16 1.67 2.05 0.21 0.06
1.80 1.78 3.06 50 49.5 0.69 0.68 0.36 0.35 0.68 1.98 0.05 0.05
0.94
0.37
0.47
0.66
0.52
96.6
99.12
98.82
99.04
99.26
98.6
99.4
0.45
0.86
0.48
0.93
0.76
0.90
0.76
0.83
1.80 7.9 5.1 1.43 1.54 48.3 34.1 0.42 0.30 0.41 0.51 0.60 0.73 0 0 2.0**
*Field trial and measurement performed by the state-authorized Agricultural Machinery Testing and Evaluation Station affiliated to Heilongjiang General Bureau of Reclamation (Report No. S95XJ-27, S96KJ-9, S98KJ-25). **Higher percentage of hulled & broken grain is caused by “extraordinary smaller clearance in the grain auger due to improper assemble work”.(see report S98KJ-25) The data in Table l acquired from early harvesting on Sept. 26, l996 showed that as ground speed of machine raised to l.33--1.43 m/s the separation loss reached an unacceptable high—2.05—1.98%,due to the wet straw and leaves impeding grain being separated significantly .
210
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Table 2. Field Trail Results of 4ZTL-1800 in Harvesting wheat Machine Place
4ZTL-1800* Heilongjiang province Yilan county July 14 ,1998
RX24
Schelbone-Haima stripper-header** Heilongjiang province Nen-jiang county Aug. 4, 1998
Date Height of panicles from 103 87~90 ground (cm) Range of panicle height 47.3 No report variation (cm) Crop yield (Kg /hm2) 4197 4050~4327 Moisture content (%) of 21.9; 44.5 21~36 ; 25~42 Grain, MOG Thousand grain weight 36.6 No report (g) Ground speed of machine 0.83 1.3 1.55 0.78 1.85 1.76 (m/s) Swath (m) 1.80 2.40 Stubble height (cm) 10.2 8.0 8.3 No report Total grain loss (%) 1.86 1.83 1.67 2.56 2.85 3.32 Free grain (Kg /hm2) 54.4 52.0 50.5 86.7 93 113* (%) 1.29 1.24 1.20 1.97 2.28 2.74 Unthreshed grain (%) 0.26 0.42 0.17 0 0 0 Separation loss (%) 0.07 0.04 0.03 — Shoe loss (%) 0.24 0.13 0.27 0.59 0.57 0.58 Broken grain (%) 0 0.2 0.2 0.36 0.36 0.34 Cleanliness of grain (%) 98.7 98.5 98.7 99.41 99.41 99.0 Theoretical output 0.54 0.84 1.01 0.67 1.60 1.52 (hm2/h) *Field trial and measurement performed by the state-authorized “Agricultural Machinery Testing and Evaluation Station” affiliated to Heilongjiang General Bureau of Reclamation (Report No.S98KJ-19). **Results provided by dealer of RX-24 in China. A new small detachable axial-flow rethresher (37) was developed in this connection. It is positioned in series with major rethresher (l4). Its auger type drum is of small diameter, of higher peripheral speed and imparting the grain higher centrifugal force for enhancing the separation . The separated materials through the concave are conducted to the horizontal auger. The results is the separation loss reduced to 0.73% at ground speed of l .39 m/s. and while the total grain loss reduced to l .54%. The machine’s performance shown in Tables has following features: ∆ Free grain loss as machine working in tables shown crop conditions is lower despite working at higher or lower ground speed and at high yie1d rice up to l l,466 Kg/hm 2. This should be attributed to the introduction of pneumatic conveying system, staggered positioned fixed teeth, the raised bottom of conduit tangential to the drum of stripping rotor, and the recovery chamber. ∆ Machine reaches higher ground speed 1.39-1.43 m/s for rice (1.6 m/s in 2004) and 1.55 m/s for wheat. 211
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
∆ Shoe loss (here refers to grain loss from two fans) is much less than that in the ordinary flat sieve-blast cleaning system by virtue of the cylindrical sieve in which there isn’t any grain loss slipped from sieve surface to the ground like the ordinary does. ∆ Floating cutter-bar with revolving rods and eccentric raking mechanism ensures lower stubble cutting of inclined straw just leaving from the stripping rotor at higher ground speed and higher straw moisture content. ∆ Center-delivered windrowing provides machine the freedom to select any suitable route such as making a detour around the over wetted spot to prevent machine from bogging down in comparison with side-delivered one . ∆ Detachable adjunct rethresher substantially reduces the separation loss in harvesting wet ,high yield rice (table 1, Sept. 26,1998),thus it magnifies machine’s function in terms of adapting it to wider range of crop conditions .In Northeast China and the like most of the rice is harvested in dry crop condition the major rethresher is adequate to deal with, then the adjunct one may be detached . ∆ Field trials revealed vertical cylindrical sieve with the auger inside had some advantages over the flat sieve: # Higher capacity or flow rate per unit area of sieve surface than that of flat one owing to subjecting the grain to a radial acceleration which is much greater than gravity one . # Rotating auger inside the cylinder cleans the sieve surface and gets the rid of clogging with trash. # Machine saves the tailing’s auger and elevator thanks to the cylindrical sieve system, which is capable to raise and feed tailings back to depositing chamber doing an endless recycling till all the grain is sieved out. # Cylindrical sieve’s inclination doesn’t harm its performance like the flat sieve does, because the slope of terrain has no effect on the evenness of materials’ distribution on the sieve surface. # No vibration produced by reciprocating motion like the flat sieve possesses in conventional combine. # Materials move over the cylindrical sieve more uniformly than on the flat sieve do, thus the distributor isn’t needed. ∆ Machine’s deficiencies are: # Pneumatic conveying system causes energy-consuming and noise somewhat increased. # In harvesting heavily lodged and sparsely populated crops the free grain loss is higher than desired. 5. CONCLUSION Four-year field-testing in production conditions of the full size prototype showed the objectives of study have been obtained .The machine harvested the rice before and after the hoar frost occurrence in listed in table conditions in principle well .That is the free grain loss is reduced owing to the air suction; cutting and windrowing the straw is accomplished immediately after the stripping ;the machine is capable to work with comparatively higher ground speed ;vertical cylindrical cleaning system justified itself with higher capacity, higher cleanliness and simpler construction. The further improvements should be focused on the listed deficiencies.
212
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
REFERENCES 1. Klinner W E, A New stripper Header for Combine Harvesters, Agricultural Engineer, Spring, 1987, 9 14. 2. Reporter, Stripper needs a home, Power Farming, Vol.72 No.6 Sept.1991. 3. Covliagin F W, et .al. Harvesting the grain crop by means of stripping, Mechanization and electrification of Agriculture, 1991. No.8 (in Russian) 4. Hobson R.N, Performance of an experimental 2 m wide trailed stripper harvester, Annual Report of Crop Division, AFRC Institute of Engineering Research, Silsoe, UK.
Jinag Yi-yuan, Zhang Hui-you, Xu Jia-mei, Tu Chen-hai, Luo Peizhen, Jiang En-chen, Wang Jing-wu, Na Ming-jung, Han Bao ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ УБОРОЧНОЙ МАШИНЫ ОЧЕСЫВАЮЩЕГО ТИПА И НОВЫЙ УБОРОЧНЫЙ КОМБАЙН, ФОРМИРУЮЩИЙ ВАЛКИ СОЛОМЫ СРАЗУ ПОСЛЕ ОЧЕСА Резюме С момента появления очесывающего хедера, разработанного Научноисследовательским Советом по сельскому хозяйству и пищевой промышленности (Великобритания) (Agricultural and Food Research Council (United Kingdom) в середине 1980 годов, было предпринято множество попыток, направленных, в основном, на его адаптацию к аномальным условиям уборки или на разработку комбайна очесывающего типа целевого назначения. Устройства обмолота, сепарации и очистки обычного комбайна, на который навешивается очесывающий хедер, обычно не могут обеспечить соответствующую производительность и качество работы. Поэтому прицепная уборочная машина на основе очесывающего ротора была усовершенствована Хобсоном (1988) в направлении компактного размещения в машине устройства предварительной сепарации, обычного молотильного барабана и барабанного сепаратора. Результаты полевых испытаний подтвердили маневренность машины, ее работоспособность и высокую эффективность уборки пшеницы и ячменя, однако из-за отсутствия системы очистки, в зерне было отмечено большое содержание половы. В модифицированном очесывающем хедере, созданным Сабановым (1985), перед очесывающим ротором размещался дополнительный вал, вращающийся в обратном направлении, чтобы улучшить уборку полеглых культур; в то же время режущий аппарат для срезания соломы был установлен сразу же позади очесывающего хедера. Но срезанная солома не собиралась в валки, а давилась колесами машины. Ниил (1991) предпринял попытку установить режущий аппарат с гидроприводом позади очесывающего хедера. Солома подавалась на два полотенных транспортера и собиралась в один валок, с которым было удобно работать прессподборщику. По свидетельству самого автора, работа этого устройства была неудовлетворительной. Предварительное использование очесывающей технологии уборки в Китае показало, что в большинстве случаев солому следует убирать одновременно со сбором зерна, так как солому, которую давят колеса уборочной машины и перегрузчика зерна в поле, невозможно убрать полностью, что приводит к задержке полевых работ по последующей культуре в районах с выращиванием нескольких культур за сезон. Что касается уборки соломы сразу же после очеса, некоторые более ранние попытки были 213
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. предприняты в Китае путем простого присоединения серийно выпускаемой жатки с боковым сбросом (валковой жатки) прямо позади очесывающего хедера. Агрегат оказался чрезвычайно длинным, что снижало маневренность машины, и, более того, поперечная подача вертикально стоящей соломы часто вызывала забивание механизма, что затрудняло формирование валка и ограничивало скорость машины. Задачами исследования, которое представлено в данной статье, было разработать новый уборочный комбайн, в первую очередь, для уборки риса, во-вторых, для пшеницы и семян бобовых трав, и суметь избежать вышеперечисленных недостатков. В запатентованную конструкцию новой машины была введена пневматическая транспортирующая система, так что шнек и промежуточные устройства в очесывающем хедере (ленточный, роликовый или вибротранспортер) можно не устанавливать. При этом освобождается пространство для размещения режущего аппарата и рядковой жатки, а потери обмолоченного зерна снижаются за счет того, что оно отсасывается воздушным потоком, создаваемым пневматической системой. Плавающий режущий аппарат расположен позади очесывающего ротора так, чтобы верхняя часть растения удалялась ротором, а нижняя часть стеблей подавалась на скашивание. Нож приводится в движение при помощи вертикального кривошипного вала, на котором закреплены два вращающихся штыря. Диаметр круговой траектории штыря как раз равен ширине гусеницы. Поэтому вращающийся штырь может легко подхватывать срезанные стебли солому и сбрасывать их в пространство между гусеницами, что позволяет избежать раздавливания соломы. Срезанная солома в центральной части валка движется за плавающим срезающим аппаратом по инерции или при помощи транспортирующего устройства скребкового типа. Поэтому валок располагается в пространстве между двумя гусеницами. Ввиду того, что содержание примесей в зерне после очеса значительно меньше, чем после обмолота обычным комбайном, автор изобрел уникальное вертикально расположенное цилиндрическое решето с системой вертикальной подачи воздуха для подъема материала, очистки зерна, повторного обмолота и переработки обломанных колосьев. Эта система отличается высокой производительностью на единицу площади поверхности решета, простотой конструкции, отсутствием вибрации, вызванной возвратно-поступательным движением, а также отсутствием чувствительности к уклону поля. Полевые испытания показали, что при нормальном состоянии культуры машина развивает скорость 1,39 – 1,43 м/сек, при этом потери зерна составляют 34,1-44,5 кг/га для риса и 1,55 м/сек и 50,5 кг/га для пшеницы, соответственно. Общие потери зерна обычно составляют менее 2%. Высота стерни колеблется в диапазоне 5-8 см для пшеницы, но отдельные стебли могут быть до 20 см. К недостаткам машины можно отнести: высокое энергопотребление; уровень шума выше, чем при работе обычного комбайна с навесным очесывающим хедером из-за пневматической системы транспортирования; осадочная камера для выделения зерна из воздушного потока выглядит громоздкой, но не настолько тяжела, кроме того, имеется возможность существенно ее уменьшить. Получено 25.05.2005.
214
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. Zuming LIU1, Jian XIE1, Chaofeng XIA1, Maohua WANG2, 1 1 . Solar Energy Research Institute, Chinese Education Ministry Renewable Energy Materials & Advance Manufacture Technology Key Laboratory, Yunnan Provincial Renewable Energy Engineering Key Laboratory, Yunnan Normal University, Kunming, Yunnan 650092, CHINA 2. China Agricultural University, BEIJING 100083, CHINA RURAL ELECTRIFICATION IN CHINA Abstract: Chinese rural electrification, especially recent twenty years experience was summarized. Un-electrified areas and population decreases greatly with many national programs. Present rural electrification situation and future development trend are also presented in the paper. Renewable energy will play more and more important role in remote rural electrification. Key words: Chinese rural electrification, rural electrification program, renewable energy 1. INTRODUCTION Electricity is one of the most important symbol and energy for modern agriculture. Rural electrification is a necessary historical stage for rural social and economical development. There was no electricity in rural areas in 1949 when new China was found. There were more than 450 million peoples without electricity at the beginning of Chinese open policy adopted in 1978. There were more than half rural areas in China depending on rural hydro power supply in 1980s. At that time electricity shortage was very serious in whole China especially in rural areas. Rural electricity consumption was very low. Rural grids were low level and grid losses were very high. Investment was very lacking and management were also low level. After open policy was adopted rural electrification develops very quickly and the development experiences can be a good reference for the world. 2. RURAL ELECTRIFICATION DEVELOPMENT 2.1 Chinese central government and local governments and rural people working together Chinese government paid much attention and carried out national rural electrification programs continually. Rural electrification is one of the most important measures to solve agriculture production and to promote rural economy and to improve rural people living. The policy of “Adjusting measures to local conditions and multi-energy complement” has been established and both electric power stations and grids have been solved properly for Chinese rural electrification. There were 100, 200, 300 and 400 counties had been selected as rural primary electrification counties in Chinese the seventh, eighth, ninth and tenth five year plans from 1985 to 2005. In the “Hundred Counties Energy Construction Program” rural electrification is also the most important content. Standards for rural primary electrification county are as following: (1) Household electrification rate should be more than 90%. Electricity supply should meet the requirement of illumination, electric fan, electric mattress, TV and radio cassette etc. usage. The electricity supply reliability should be more than 85%. (2) Trying for the target of not less than 20% families can use electric cookers and boilers for more than four months during raining seasons. 215
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
(3) The electricity for agriculture products processing, such as grind, oil mill or cotton ginning etc., should be met. (4) Electricity supplies for agriculture production and stockbreeding, such as small irrigation and drainage, auto animal breeding, insect killer, threshing, rice seeding, hatching etc. (5) The basic electricity requirement for county industry, village enterprises etc, can be met. (6) Average electricity consumption for family living should be more than 200 kWh per household per year. Average electricity consumption per capita in the county should be more than 200 kWh per year. There were more than 120 million people not connected with grid at the end of 1994 [1]. With many years rural electrification programs rural grids develop very quickly and many people have been now grid connected. Chinese rural electrification can be summarized as two ways. The first one is fully government support for these areas besides urban areas. Large grids were built by central governments and extended to around rural areas step by step. More than two thirds rural areas are connected with city grids. With more and more different power stations have been built the electricity supply situation have been improved greatly. The second way is for the most of rural areas, especially these remote areas. Rural electrification depends on local governments and rural people. Less than one third rural areas electricity supplies depend on local hydro power, thermal power or wind power with small nearby grids. The policy of “national government financing partly, enterprises paying partly and rural people raising part fund” and “The one who built will own and manage the power station and get profit from it” are special for these kinds of power stations, which are Chinese characteristics. These local power stations will be connected with large grids step by step. Even now there are more than 800 counties mainly depending on rural hydro power stations. In the middle of 1980s some small solar home system (SHS) with 5~50W began to appear in the west part of China. The PV power in the SHS increased step by step. The 150W PV system is the common largest SHS. Some early SHS are donated by Japan NEDO. In Inner Mongolia many PV and wind hybrid system have been put into utilization. With SHS rural people can use not only electric lamp, but also radio or even TV, which ended the old isolated life style. There are two kinds of SHS utilization. One is fully commercialization without any subsidy. The other is partly subsidy. The first commercially market is mainly in Qinghai, Tibet. The other places are Sichuan and Yunnan border areas with Qinghai and Tibet. For partly subsidy program the most important one is GEF/World Bank supporting Chinese Renewable Energy Development Program. There will be 10 MW PV SHS installed at the end of 2005. Another SHS utilization program is carrying out in Xinjiang aided by Shell. There are some PV village system supported by KfW in Yunnan, Xinjiang, Gansu and Qinghai. These utilizations greatly promote local development both on economy and society. In 1999 the last un-electrified seven counties in Tibet were electrified by solar PV power stations. The total installed PV capacity was 450 kW with the biggest of 100 kW Anduo PV power station and the highest PV power station at Shuanghu county (5100 meters above sea level). From 2000 all Chinese couny towns have been electrified. There were 1061 townships not connected with grids at the end of 2001. More than 30 million people have not been electrified. In 2002 and 2003 these townships have been electrified by PV power system, PV/wind and small hydro power stations with financial support of Township Electrification Program. With these programs at the end of 2003 all townships in China have been electrified [2]. 216
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
2.2 Quality control and technical standards development During the fast development of rural electrification some bad quality products appeared in the market. Some rural people suffered from these unqualified mini- or pico-hydro systems. Government pays much attention to market regulation. Some competition and bid process have been introduced to programs. New technologies have been accepted into many new products. Many related standards have been published, which standardize the market step by step. 2.3 Rural electricity system reforming The system of rural grids was different from that of urban grids before 1998. Rural grids developed relatively low level and loss rate was high so rural people paid higher tariff. From 1998 the most important factor which limited rural electrification development, rural electricity system, began to be reformed. The central government support rural grid improvement by national debt fund and bank loan. The old rural township and county level electricity systems have been reformed. A new and suitable to Chinese rural economic development rural electricity system has been established. The rural grids were connected with urban grids and rural tariff is the same as urban tariff. The grid loss has been reduced greatly and rural electricity supply has been improved greatly. Rural electrification level has been advanced greatly. The financial load for rural residents electricity supply has been decrease enormously. All these programs greatly promote rural social and economic development. Income of rural people and infrastructure of rural areas have been improved greatly. 3 PRESENT SITUATION OF NON-ELECTRIFICATION IN CHINA There are still more than 20 million people living in remote areas now who do not connected with grid and no electricity supply. These people are still using kerosene lamp or even wood for illumination. Most of them are minority nationalities and live in the west part of China. There are more than 2 million people not connected with grid in Yunnan, which is the biggest number in China. There are about 40% people in Tibet without electricity supply, which is the biggest percentage number in China. The west area is very large, occupied 56% of the whole China for ten west provinces Chongqing, Sichuan, Yunnan, Guizhou, Tibet, Shanxi, Gansu, Qinghai, Ningxia and Xinjiang. The population density is very low with only 23.1% of China (1994). The economy level and education level are much lower compared with east part. Un-electrified people live in areas with very poor infrastructure. Common energy supply systems, such electrical grid extensions, diesel generators, etc, are very difficult to carry out and high cost. 4 THE OUTLOOK OF RURAL ELECTRIFICATION 4.1 Rural electrification target for future 15 years Chinese government has set future fifteen years rural electrification plan: (1) All administrative villages will be electrified in 2005. (2) On the base of rural electricity system reforming a new rural electrification level will be realized by about 10 years. In 2015 rural electrification will be realized in the whole country. Household electrification rate should be more than 99.9% in developed areas and 99% in middle developed areas and 98% in under developed areas. For electricity consumption per capita of county and under county level should be 1800 kWh in developed areas and 1300 kWh in middle developed areas and 900 kWh in under developed areas. Electricity reli217
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
ability will be 99.9%. The main grids will be 110 kV grids with high automation and modernization. 4.2 Renewable energy systems playing more important role in future rural electrification Now these last un-electrified villages are located in very remote areas, far from the grids, with low and scattered load demands. Electrification through grid extension seems impossible for most of villages in the coming 20 years. The most of areas enjoy rich renewable energy resources, such as pico or mini hydro, biomass, wind or solar energy. These small renewable energy power systems as decentralized electrification methods, especially these very simple maintenance technology like solar photovoltaic system, suitable the most west regions and will play the one of the most important role in remote area electrification. Chinese Developing Planning and Reforming Committee has set the “Brightness Program” in 1996, which will utilize local renewable resources to solve the local electrification problems. During past time the total investment is more than 5 billion RMB. In some special areas solar energy is only one available and solar PV can play an indispensable role. Many people have been benefit from the program. From 2004 a new program has been started which will use small hydro as fuel to protect ecology. The target is to supply fuels for 104 million rural people in 2020. The total investment is more than 100 billion RMB. 22.67 million ha forest can be protected and present rural fuel wood consumption will be reduced by 64% at that time. Chinese “RENEWABLE ENERGY LAW” has been approved by Chinese government on Feb 28, 2005 and will be brought into effect from Jan. 1, 2006. The law is similar with Germany renewable energy feed in law, which will encourage renewable energy utilization as investment. Grids will accept all renewable energy electricity defined by the regulation. Renewable energy development will be fast in the future. The rural areas, especially those in the west part have plenty of renewable energy resources and will benefit from development of all renewable energy systems, which will also help to solve electricity supply shortage situation in recent years in almost whole countries. Many jobs will be created by developing these kinds of systems. The CO2 and SO2 emission will be decreased and Chinese energy consumption structure will be improved by reduce coal burning in the future. REFERENCES: 1. China new & renewable energy—1999 white book, Beijing: China Planning Press, 2000 2. Zuming LIU, Jiehui LI, Hua LIAO, etc., PV Energy Systems Playing More Important Role in Developing Remote Areas in West China, Proc. 14th PVSEC, Jan. 2004, p.10551056.
218
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Zuming LIU, Jian XIE, Chaofeng XIA, НИИ солнечной энергии, Министерство образования КНР, Ведущая лаборатория по возобновляемым источникам энергии и передовым технологиям, Университет Юннань, КНР Maohua WANG Китайский сельскохозяйственный университет, Пекин, КНР ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ СЕЛЬСКИХ РАЙОНОВ В КИТАЕ Резюме Обобщен опыт электрификации сельских районов в Китае за последние 20 лет. Количество неэлектрифицированных районов значительно сокращается благодаря различным программам по электрификации сельских районов. Представлено современное состояние вопроса и тенденции дальнейшего развития. Возобновляемые источники энергии будут играть все большую роль в электрификации отдаленных районов. Получено 14.05.2005.
УДК 631.353 Г.В. Каледин, канд. техн. наук Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (СЗНИИМЭСХ), Санкт-Петербург А.В. Попов Санкт-Петербургский государственный аграрный университет (СПбГАУ), Санкт-Петербург ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Рассмотрен общий подход к выбору экономических и экологических критериев оценки технологических процессов. В зависимости от объекта исследования решаемой задачи в качестве критериев оптимизации технологических процессов могут быть приняты различные показатели. Так, при оценке технологических процессов возделывания и уборки сельскохозяйственных культур в качестве основных критериев могут выступать как экономические – эффективность технологического варианта и соответствующего комплекса машин, так и экологические – обеспечивающие получение экологически чистой сельскохозяйственной продукции. Учитывая, что технологический процесс можно рассматривать, как сложную многопараметрическую систему, то оценочные критерии могут классифицироваться по следующим признакам: - глобальные критерии, оценивающие эффективность функционирования всей системы в целом, как по экономическим показателям, так и по экологическому воздействию на окружающую среду и качеству полученного продукта; 219
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. - локальные критерии, характеризующие эффективность функционирования отдельных элементов систем; - интегральные критерии, включающие комплексную оценку технологического процесса по ряду показателей; - частные критерии, характеризующиеся одним показателем, который, как правило, определяется в зависимости от цели решаемой задачи. Экономический и экологический критерии функционирования системы могут быть отнесены к интегральным критериям, отражающим стоимостные коэффициенты затраты труда, энергии, средств и др. на выполнение всего комплекса технологических процессов. В общем виде это можно представить следующим выражением: n
К с = ∑ к ⋅ сi ,
(1)
i =1
где: Кс – экономический (стоимостной) критерий оценки эффективности функционирования системы; к - критерий оптимизации по i = показателю при i = 1…n; ci – стоимостной (весовой) коэффициент для перевода к единой размерности i показателя. Следует отметить, что при производстве сельскохозяйственной продукции проявляются следующие негативные воздействия на окружающую среду: - загрязнение атмосферы выхлопными газами мобильных машин; - уплотнение почвы ходовыми системами машин; - загрязнение земель нефтепродуктами при эксплуатации техники; - внесение в почву химических веществ; - загрязнение воды и атмосферы отходами животноводства. В связи с этим при решении задач оптимизации, где в качестве целевой функции F выступает экологический критерий, комплексный критерий определяется на основе весовых коэффициентов отдельных показателей, характеризующих экологическое воздействие на окружающую среду. В данном случае затруднение вызывает определение весовых коэффициентов. Обычно в качестве коэффициентов перевода к единой размерности выступает величина предполагаемого ущерба окружающей среде, выраженная в стоимостном значении. Весовые коэффициенты, характеризующие воздействие на окружающую среду отдельных элементов технологического процесса как системы, могут быть определены на основе опроса экспертов. Таким образом, при оценке технологических процессов по экономическому критерию, выраженному в рублях, и экологическому критерию, также приведенному к стоимостной оценке предполагаемого ущерба, целевая функция оптимизации F(x) имеет вид: m
C j F j ( x)
j =1
N j ( x)
F( x ) = ∑
= ∑ c j f j ( x) ,
(2)
где: Сj - значение весового коэффициента для j показателя, где j = 1…m; N - соответствующее нормативное значение j показателя. 220
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. В отдельных случаях экологический критерий может выступать в качестве ограничения при оптимизации по другим критериям. При этом выделяется один основной критерий К1, а на все остальные критерии К2, К3…Кn накладываются некоторые ограничения. ВЫВОДЫ Оценка технологических процессов в агропромышленном комплексе по экономическим и экологическим критериям с учетом их весовых коэффициентов с наибольшей вероятностью обеспечивает их влияние на окружающую среду. ЛИТЕРАТУРА 1. Ксеневич И.П., Наземные тягово-транспортные системы. Том 3. М.: Машиностроение, 2003. Получено 25.05.2005.
G.V.Kaledin, Cand. Sc (Eng), A.V. Popov North-West Research Institute of Agricultural Engineering and Electrification, Saint-Petersburg, Russia ECOLOGICAL AND ECONOMIC CRITERIA FOR ESTIMATION OF ENGINEERING PROCESSES Summary A general approach to the selection of economic and ecological criteria for estimation of processes in farming, crop growing and harvesting, in particular.
221
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. РЕШЕНИЕ IV МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «ЭКОЛОГИЯ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ ТЕХНИКА» Санкт-Петербург, Тярлево
25-26 мая 2005 года
Участники IV Международной научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственная техника» отмечают, что период, прошедший после третьей научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственная техника» (5-6 июня 2002 года, Санкт-Петербург-Павловск, СЗНИИМЭСХ), охарактеризовался присоединением Российской Федерации к Киотскому протоколу, что привело к вступлению Протокола в действие. В совокупности с Рамочной Конвенцией ООН об изменении климата мировое сообщество вплотную приблизилось к реализации мер по оздоровлению экологической ситуации на планете. За этот же период времени учеными и специалистами научных учреждений Российской академии сельскохозяйственных наук разработана и принята для реализации «Стратегия машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России на период до 2010 года», определившая приоритетные направления научных исследований в инженерно-технической сфере сельского хозяйства. Пути реализации главных целей Стратегии предусматривают решение ряда взаимоувязанных задач, среди которых особое значение имеет задача повышения эффективности использования энергии на основе энергосберегающих технологий и оптимизации структуры энергогенерирующих мощностей при одновременном росте энерговооруженности труда и быта населения (в том числе и сельского), уменьшении экологической нагрузки на окружающую среду с учетом реализации концепции устойчивого развития сельскохозяйственного производства. Это в полной мере корреспондируется с необходимостью углубления научных исследований в направлениях, изложенных в решении третьей научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственная техника». В связи с вышеизложенным, участники IV Международной научнопрактической конференции «Экология и сельскохозяйственная техника» отмечают, что за последнее время получили широкое развитие исследования, направленные, в частности, на разработку и освоение: • концепции развития экологической ситуации в сельскохозяйственном производстве России; • интенсивных энергосберегающих машинных технологий производства основных видов сельскохозяйственной продукции с учетом новейших селекционных и генетических достижений отечественной и зарубежной науки, производственноэкономических особенностей отечественного товаропроизводителя; • энергонасыщенных сельскохозяйственных агрегатов и машин нового поколения, выполняющих большое количество технологических операций за один прием с высоким их качеством при снижении удельного расхода топлива и других видов энергии; • оптимального сочетания структуры электрогенерирующих мощностей (возобновляемые и невозобновляемые источники электрической энергии, нетрадиционные источники энергии); • методологии утилизации навозосодержащих стоков и вредных вентиляционных выбросов животноводческих помещений; 222
ISBN 5-88890-034-6. Том 1. • методов и средств диагностики при техническом обслуживании средств механизации в сельскохозяйственном производстве и ряда других. Конференция отмечает углубление международного сотрудничества научных учреждений Российской академии сельскохозяйственных наук и высших учебных заведений России с учеными стран СНГ, Прибалтики, Польши, Финляндии, КНР, США и другими странами, международными неправительственными организациями о современных методах обоснования и разработки экологически безопасных наукоемких технологий и технических средств при производстве сельскохозяйственной продукции. На IV Международной научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственная техника» выступило около 90 специалистов из 15 стран Европы, Азии и Северной Америки, в том числе 51 российский и 37 зарубежных ученых по проблемам, связанным с экологичностью разработки, производства и эксплуатации сельскохозяйственной техники. Учитывая важность и всё возрастающую актуальность проблемы обеспечения экологической безопасности ведения сельского хозяйства, защиту окружающей среды и человека от вредного воздействия сельскохозяйственного производства, участники IY Международной научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственная техника» после обсуждения представленных докладов, выступлений и сообщений ПРИНЯЛИ РЕШЕНИЕ: 1. Одобрить основные направления исследований, проводимые учеными – участниками конференции, и отраженные в их докладах и выступлениях. Полученные результаты исследований рекомендовать использовать для расширения и углубления дальнейших исследований по экологизации сельскохозяйственного производства. 2. Признать целесообразным, с целью повышения уровня экологичности сельскохозяйственного производства, реализации Стратегии Российской академии сельскохозяйственных наук, Рамочной Конвенции ООН об изменении климата и Киотского Протокола, участникам конференции координировать свои усилия по следующим основным направлениям научных исследований: • мониторинг окружающей среды при производстве сельскохозяйственной продукции и разработка нормативов выбросов тепличных газов и других вредных выбросов в результате ведения земледелия и животноводства; • разработка и освоение организационных и технологических мероприятий по снижению энергоемкости сельскохозяйственного производства, использованию экологически чистых нетрадиционных, возобновляемых источников энергии; • разработка и освоение ландшафтных систем земледелия и точных прецизионных технологий производства сельскохозяйственной продукции, обеспечивающих высокую продуктивность сельскохозяйственных угодий, ресурсо- и энергосбережение и безопасность применения минеральных удобрений и химических средств защиты растений; • разработка и освоение эффективных ресурсосберегающих и низко затратных машинных технологий производства сельскохозяйственной продукции с использованием высокопродуктивных сортов и гибридов сельскохозяйственных культур, пород, линий и кроссов сельскохозяйственных животных и птицы, устойчивых к воздействию экстремальных факторов внешней среды и болезням; • разработка и освоение технологий и технических средств, обеспечивающих условия содержания животных, максимально приближенные к естественным условиям обитания; 223
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005. • разработка и освоение методов и способов повышения питательной ценности кормов и обеспечения сбалансированности рационов сельскохозяйственных животных и птицы, как факторов, способствующих улучшению экологической ситуации ведения животноводства; • разработка и освоение безотходных технологий производства продукции животноводства; • совершенствование систем сбора, хранения и использования навоза и птичьего помета, а также разработка нормативов для расчета количества экскрементов, выделяемых животными и птицами различных видов, пород и половозрастных групп применительно к рационам кормления. 3. Признать целесообразным дальнейшее расширение и укрепление международного сотрудничества в сфере экологической безопасности сельскохозяйственного производства, а также разработки и реализации программ, связанных с выполнением Стратегии машинно-технологического обеспечения сельскохозяйственного производства России на период до 2010 года. 4. Участники IV Международной научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственная техника» отмечают высокий уровень организации и проведения конференции, считают целесообразным провести 5-ю Международную конференцию в марте-апреле 2007 года в Санкт-Петербурге на базе СЗНИИМЭСХ, посвященную 100-летию образования Бюро по земледельческой механике Ученого Комитета Министерства имущественных отношений Двора Его Императорского Величества – прообраза первого в России научного учреждения сельскохозяйственного профиля. 5. Рекомендовать СЗНИИМЭСХ организовать на сайте института постоянную WEB-страницу для проведения электронных конференций по вопросам экологичности сельскохозяйственного производства. 6. Просить организационный комитет конференции опубликовать доклады и сообщения, поступившие в письменном виде до начала работы конференции и сделанные на конференции в процессе ее работы. Принято единогласно
224
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
4
TH
CONFERENCE RESOLUTION INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND PRACTICAL CONFERENCE “ECOLOGY AND AGRICULTURAL MACHINERY” St-Petersburg, SZNIIMESH, Russia 25-26 May 2005
TAKING NOTE that the period from the 3rd Scientific and Practical conference “Ecology and Agricultural Machinery” (5-6 June 2002, St-Petersburg, SZNIIMESH) featured the ratification of Kyoto Protocol by the Russian Federation, and thus the Protocol coming into force, ACKNOWLEDGING that together with the United Nations Framework Convention on Climate Change this document has brought the world community closer to the implementation of environment enhancement measures, AND NOTING that in the same period the scientists and specialists of research institutions of the Russian Academy of Agricultural Sciences elaborated and approved for realization “Strategy of Machine and Engineering Support of Agricultural Production in Russia by the year 2010”, which defined the research priorities in agricultural engineering to be reached through fulfilling a number of interrelated tasks, of which of utmost importance is energy efficiency improvement on the basis of energy saving technologies and optimization of energy generating facilities structure along with the growth of power availability per man, rural population included, reduction of environmental loads and implementation of the concept of sustainable rural development, RECOGNIZING the deepening of cooperation between the Russian agricultural academic and educational institutions and the researchers from CIS and Baltic States, Poland, Finland, China, USA and other countries, international non-governmental organizations in the sphere of environmentally safe high-end technologies, machinery and equipment for farming AND FURTHER RECOGNIZING the presence of more than 100 researchers and specialists from 15 countries of Europe, Asia and North America attending this conference IDENTIFYING from papers, discussions and conclusions that recent research was focused on development and implementation of - the concept of ecological situation in Russian agriculture - intensive power-conservation machine-based techniques of basic agri-products production with due account for the newest selection and genetic achievements of Russian and foreign science, and production and economic specific features of local agricultural producers; - powerful agricultural tractor/implement systems and new-generation machines, which combine a number of working steps at a single run maintaining their high quality and providing the fuel and power economy; - optimal combination of fossil fuels and renewable energy sources; - methods of utilization of manure-bearing waste water and hazardous emissions from animal houses; - methods and devices for farm machinery diagnostics, - and others. 225
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
CONFIRMING the importance and ever-increasing urgency of environmental issues in agricultural production, the human and environment protection from the negative farming effect THE CONFERENCE PARTICIPANTS RESOLVED: 1. To endorse the research trends presented in the papers and communications at the conference. To recommend to apply the findings for further expanding and deepening the research on farming ecologization 2. To encourage the conference participants to focus the joint efforts on the following key research directions aimed at further raising of ecological properties of farming, realization of the provisions of United Nations Framework Convention on Climate Change, Kyoto Protocol, and the Strategy of the Russian Academy of Agricultural Sciences: - environment monitoring in agricultural production and elaboration of emissions norms from plant and livestock farming - ways and methods to reduce energy intensity of farming, wider application of environmentally safe alternative energy sources - designing and application of landscape-based crop growing techniques and precise agriculture practices, which provide high farming area yields, resource and energy conservation and safe application of mineral fertilizers and plant protection agents; - designing and application of efficient resource-saving and low-cost machinebased farming techniques, which make use of high-yield varieties and hybrids of crops, and breeds, lines and crosses of farm animals and poultry, which are resistant to diseases and extreme environmental factors - designing and application of techniques, machinery and equipment for livestock keeping close to the natural habitat conditions - designing and application of methods and ways to raise the nutritive value of feeds and to maintain the balances diets for farm animals poultry as the factor for improving ecological situation in livestock farming - designing and application of waste-free techniques of livestock farming - improvement of techniques for animal and poultry manure handling and establishing the calculation norms for excrements output for various farm animals and poultry of different breeds, sex and age groups depending upon various diets. 3. To welcome the further expansion and strengthening of international cooperation in the area of environmental safety of farming, development and application of relevant joint projects. 4. To recognize the high level of conference organization and to endorse the need for th the 5 International Scientific and Practical conference “Ecology and Agricultural Machinery” to be held in May 2007 in St-Petersburg on the premises of North-West Research Institute of Agricultural Engineering and Electrification dedicated to the 100th anniversary of the foundation of Bureau on Agricultural Mechanics – the first in Russia agricultural research institution. 5. To request the North-West Research Institute of Agricultural Engineering and Electrification to develop on the institute web-site the permanent page for on-line conferences on environmental issues in farming. 6. To request the conference Organizing Committee to publish the papers and communications submitted prior to and during the conference in the Conference Proceedings. 226
CONTENTS Popov V.D. KEY LINES OF RESEARCH AND DEVELOPMENT ACTIVITY OF THE NORTH-WEST RESEARCH INSTITUTE OF AGRICULTURAL ENGINEERING AND ELECTRIFICATION (SZNIIMESH) IN ENVIRONMENTAL PROBLEMS SOLVING....13 Yankovsky I.Ye. NORTH-WEST SCIENTIFIC AND METHODOLOGICAL CENTER OF RAAS: STRUCTURE, AIMS AND OBJECTIVES, EFFECTS............................................17 Wang Maohua NEW PROMOTION OF AGRICULTURAL MECHANIZATION AND PRACTICE OF PRECISION AGRICULTURE IN CHINA ................................................17 Krasnoschekov N.V. TECHNOLOGICAL MODERNIZATION OF AGRICULTURAL PRODUCTION IN RUSSIA ................................................................................................39 Bill A. Stout, Karl Th. Renius, John K. Schueller THE AGRICULTURAL EQUIPMENT INDUSTRY AND ITS PROMOTION IN LESS DEVELOPED COUNTRIES ...................40 Strebkov D.S. SOLAR ENERGY: THE STATUS AND FUTURE DEVELOPMENT .........72 Aleksander Szeptycki ROLE OF TECHNIQUE IN THE SYSTEM OF SUSTAINABLE AGRICULTURE..................................................................................................................78 Kormanovsky L.P. SOME ENGINEERING AND ENVIRONMENTAL ASPECTS OF ANIMAL HUSBANDRY ....................................................................................................82 Chernoivanov V.I., Kolchin A.V. HOW TO ENSURE ENVIRONMENTALLY SAFE OPERATION OF TRACTORS AND SELF-PROPELLED AGRICULTURAL MACHINES..........................................................................................89 Yerokhin M.N., Popov V.N. ENVIRONMENTAL TRAINING OF AGRICULTURAL ENGINEERS .....................................................................................................................100 Runov B.A. DEVELOPMENT OF RESEARCH MANAGEMENT AND INNOVATION PROCESS .......................................................................................105 Afanasiev V.N. DEVELOPMENT STRATEGY FOR ENVIRONMENTAL SAFETY OF FARMING .........................................................................................................................111 Ksenevich I.P., Solovejchick A.A., Orlov N.M., Shevtsov V.G. AN INTRODUCTION TO THE THEORY OF MOBILE TRACTOR/IMPLEMENT SYSTEMS WHERE THE FUNCTIONS OF A WORKING ELEMENT AND A PROPULSION DEVICE ARE COMBINED ......................................................................................................................129 Rogalev V.A., Denisov V.N. AGROINDUSTRIAL COMPLEX AND ECOLOGY: RESEARCH PLANS OF INTERNATIONAL ACADEMY OF ECOLOGY, HUMAN AND NATURE PROTECTION SCIENCES ...............................................................................134 Fedorenko V.F. CREATION OF INFORMATION RESOURCES FOR ENGINEERING SUPPORT OF AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX............................................................142 Solovejchick A.A. PERFORMANCE OF ROTARY SOIL TILLING MACHINE SERVING ALSO AS A PROPULSION DEVICE IN THE MOBILE UNIT ........................................154 Qing Yang, Shaoping Xue, Reixiang Zhu & Huilan Xue DEVELOPMENT OF CONSERVATION TILLAGE IMPLEMENT FOR DRYLAND AREA IN NORTHWESTE CHINA...............................................................................................................................154 227
Jiang Yiyuan, Professor, et al. PROGRESS IN MECHANIZATION OF CONSERVATION CULTIVATION OF ROW CROPS AND RISE AS AN EFFICIENT SOIL EROSION CONTROL MEASURE ON THE NORTH-EAST OF CHINA.......................................... 175 Tiansheng Hong, Wanzhang Wang, Xiwen Luo1, Xuecheng Zhou, Xiaolong Yan PESTICIDE DISTRIBUTION TEST OF THE HYDRAULIC NOZZLE FOR PROFILE MODELING SPRAY……………………………………………………………………….176 Xiwen Luo, Xuecheng Zhou, Xiaolong Yan SEGMENTING ALGORITHM FOR MSCT IMAGES OF PLANT ROOT SYSTEM BASED ON SPATIAL GEOMETRICAL FEATURES…………………………………………………………………………………183 Kulikov I.M., Bychkov V.V., Kadykalo G.I. RESOURCE-SAVING MACHINERY FOR FRUIT-CROP NURSERIES .............................................................................................. 199 Smirnov I.G. ENVIRONMENTAL CRITERIA FOR DESIGNING ADAPTIVE TECHNIQUES FOR SMALL-FRUIT CROP GROWING ................................................ 202 Lukinskij Yu.V ENVIRONMENTAL CRITERIA FOR ESTIMATION OF GRAIN HARVESTING TECHNIQUES AND MACHINERY IN THE NORTH-WEST OF RUSSIA ............................................................................... 205 Jinag Yi-yuan, Zhang Hui-you, Xu Jia-mei, Tu Chen-hai, Luo Peizhen, Jiang En-chen, Wang Jing-wu, Na Ming-jung, Han Bao PROGRESS IN STRIPPER HARVESTER DEVELOPMENT AND A NEW COMBINE STRIPPER HARVESTER FOR SIMULTANEOUS GRAIN AND STRAW HARVESTING .............................................. 206 Zuming LIU, Jian XIE, Chaofeng XIA, Maohua WANG RURAL ELECTRIFICATION IN CHINA ......................................................................................................................... 215 Kaledin G.V., Popov A.V. ECOLOGICAL AND ECONOMIC CRITERIA FOR ESTIMATION OF ENGINEERING PROCESSES…………………………………..219 CONFERENCE RESOLUTION 4TH INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND PRACTICAL CONFERENCE “ECOLOGY AND AGRICULTURAL MACHINERY” ......................... 225
228
