К вопросу истории развития агроинженерной науки в XX веке. Дашков В. Н., Ловкис В. Б.
агроинженерной науки в XX веке
В конце XIX – начале XX века агроинженерная наука, занимавшаяся проблемой создания сельскохозяйственной техники, называлась земледельческая механика, получившая свое название от корня слов “земля” или “земледелие”. Она изначально формировалась, опираясь на фундаментальные положения теоретической механики – статику и кинематику механизмов, динамику материальной точки, системы материальных точек, абсолютно твердого тела, сплошных сред, к которым примыкает теория упругости и в целом механика материалов.
Изучение закономерностей преобразования сельскохозяйственных материалов и сплошных сред рабочими органами машин относится к теории технологических процессов – одному из важнейших разделов земледельческой механики. Положения теории рабочих органов, орудий и машин, совершенство их проектирования, расчет и сравнительная эффективность проверялись опытным путем – методами натурных исследований и испытаний.
В таких условиях “взаимного притяжения” практики и науки, строительства фабрик и заводов по выпуску сельскохозяйственного инвентаря и простейших машин, организации высших инженерно-технических школ, опытных станций и испытательных учреждений зарождались в начале XX века ростки земледельческой механики и машиноведения, приемы и методы испытаний машин для земледелия.
Важную роль в развитии сельскохозяйственных орудий и машин в начале столетия сыграли кафедры сельскохозяйственного машиноведения при Харьковском технологическом институте (1897 г.) и сельскохозяйственных машин при Киевском политехническом институте (1898 г.) с машиноиспытательной станцией при ней. Кафедра сельскохозяйственных машин в Киеве имела два отделения: сельскохозяйственное машиноведение и конструирование машин. Здесь, под руководством профессор К.Г. Шиндлера, приглашенного на эту должность из Московского сельскохозяйственного института (Московская сельскохозяйственная академия им. К.А. Тимирязева), вплоть до Первой мировой войны проводились изыскания и испытания рациональных форм рабочих поверхностей и апробация плугов для обработки различных типов почв. Основная деятельность кафедры в то время была направлена на проведение испытаний сельскохозяйственных машин и орудий. С этой целью под Киевом (село Грушки) в 1900 г. была открыта фактически первая в России постоянно действующая станция по испытанию сельскохозяйственных машин и орудий, которая сыграла большую роль в деле совершенствования сельскохозяйственной техники, выпускаемой в то время. Наиболее широкое внедрение в сельскохозяйственное производство получали только те машины, которым была дана положительная оценка этой машиноиспытательной станцией. Следует отметить, что после испытаний станция, как правило, оставляла у себя образцы испытываемых машин для изучения их студентами, благодаря чему на кафедре была собрана значительная коллекция машин и орудий. Проведение испытаний большого количества машин позволило профессору К.Г. Шиндлеру составить фундаментальный атлас сельскохозяйственных машин и орудий, использовавшийся в учебных целях.
Решающий вклад в формирование основ машиноведения и земледельческой механики внес выдающийся ученый, академик ВАСХНИЛ и почетный академик АН СССР Василий Прохорович Горячкин (1868 – 1935 гг.). В 1896 г. он приступил к чтению курса “Учение о сельскохозяйственных машинах и двигателях” в Московском сельскохозяйственном институте. Такой курс читался впервые, и молодой профессор В.П. Горячкин самостоятельно разработал теоретические основы расчета и построения сельскохозяйственных машин и орудий, обосновал технологические процессы. В отличие от предшественников и современников, использовавших исключительно описательный метод, он в своих лекциях и теоретических построениях широко применял законы теоретической механики и высшей математики.
Систематизацией данных о сельскохозяйственных машинах и эффективности их применения в начале столетия занялось Бюро по сельскохозяйственной механике при Ученом Комитете Главного управления землеустройства и земледелия России, куда входили известные ученые и инженеры.
В состав Бюро входили: отдел изучения сельскохозяйственных машин; лаборатория физики почв с задачей исследования влияния машин на изменение структуры почв; отдел испытания тракторов и двигателей с подотделами испытания материалов, конструирования инструментов, семенной и химической лабораториями, статистический и справочный отделы. Было создано два отделения Бюро в Акимовке (ныне Запорожская область) и Капланбеке (близ Ташкента) с испытательными участками и мастерскими для изготовления приборов и инструментов.
Необходимо вспомнить также об организации и деятельности Ростовской (ныне Северо-Кавказская МИС, 1907 г.), Омской (Сибирская) и Прибалтийской (1911 г.) машиноиспытательных станций, сохранившихся (с перерывом в 20-х-30-х годах) и до настоящего времени.
Период организации первых кафедр по сельскохозяйственному машиноведению и машиноиспытательных станций связан с деятельностью известных ученых: Ю.А. Вейса, М.Х. Пигулевского, К.Г. Шиндлера, Д.Д. Арцыбашева, В.И. Нагибина, С.В. Полетаева, К.М. Баркова, И.Д. Белова и др.
С 1909 г. под руководством Д.Д. Арцыбашева Департаментом земледелия издавался ежемесячный журнал “Известия Бюро по сельскохозяйственной механике”, в котором издавались статьи по теории и конструкциям сельскохозяйственных машин, а также освещались результаты испытаний различных сельскохозяйственных машин и тракторов.
Трудами ученых В.П. Горячкина, К.Г. Шиндлера, Д.Д. Арцыбашева и других были определены главные направления изучения и исследования техники, развития машиноведения, земледельческой механики и испытательского дела: изучение машин в отношении агрономических требований, изучение конструкций в целях обеспечения их работоспособности, усовершенствование и приспособленность машин к местным условиям, разработка теоретических положений для их проектирования.
Если на начальном этапе развития земледельческой механики основными объектами ее разработок были главным образом вопросы машиноведческого механического описания технологических процессов, орудий и машин, то на базе пионерских научных изысканий академика В.П. Горячкина стали все шире рассматриваться вопросы теории рабочих и производственных процессов, задачи механики машин и орудий, построения и проектирования машин и машинных агрегатов в целом, опытной проверки и отработки машин и орудий методами их систематических сравнительных испытаний.
Более систематические работы по формированию основ машиноведения, земледельческой механики и испытаний как научных дисциплин, то есть как системы научно-технических методов анализа и синтеза конструкций рабочих органов, процессов, орудий, машин и машинных агрегатов, на базе теоретических положений и результатов натурных испытаний начались в первой четверти прошлого века и продолжились в послереволюционные тридцатые годы, когда начался период активной механизации и тракторизации крупного сельскохозяйственного производства.
В 30-х годах в России и Украине был создан ряд научно-исследовательских учреждений (ВИМ, НАТИ, УкрНИИСХОМ, УНИИМЭСХ), а также значительное число проектно-конструкторских бюро при заводах сельскохозяйственного машиностроения. В 30-х – 50-х годах была организована широкая цепь факультетов механизации, которые готовили научно-технические кадры.
Достойное место среди них занял факультет механизации сельского хозяйства в Киевском сельскохозяйственном институте, открытый в 1929 г. (ныне Национальный аграрный университет, отметивший в 2008 г. свой 110-летний юбилей). Кафедру сельскохозяйственных машин этого факультета впоследствии возглавлял профессор П.Ф. Вовк, автор первого учебника по сельскохозяйственному машиноведению, лично принимавший активное участие в создании опытных образцов свеклоуборочных машин.
В 1931 – 1935 гг. кафедрой сельскохозяйственных машин заведовал профессор А.Н. Карпенко, который разработав экспериментальные основы выбора параметров высевающих аппаратов сеялок, издал несколько учебников по сельскохозяйственному машиноведению, в том числе и за рубежом. А.Н. Карпенко впоследствии возглавлял отдел посевных машин ВИМ (г. Москва) и кафедру механизации Московской сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева, стал доктором технических наук, в дальнейшем был избран академиком ВАСХНИЛ.
На кафедре сельскохозяйственных машин Киевского сельскохозяйственного института работал д.т.н., профессор, академик АН УССР, лауреат Государственной премии СССР А.А. Василенко, один из первых разработчиков конструкции свеклоподъемников и свеклоуборочных комбайнов. Он первым издал труд “Свеклоуборочные комбайны”, в 1944 – 1958 гг. был директором Научно-исследовательского института машиноведения и сельскохозяйственной механики АН УССР.
Особо следует отметить академика ВАСХНИЛ (РАСХН), УААН, чл.-корр. АН УССР П.М. Василенко, который с 1935 по 1962 г. возглавлял кафедру сельскохозяйственных машин Киевского сельскохозяйственного института. Являясь приемником и последователем учения В.П. Горячкина, он продолжил и решил важнейшие задачи земледельческой механики с использованием принципов аналитической механики. Его фундаментальные труды опубликованы во Франции, США, Китае, Румынии, других странах и сыграли важную роль в создании и развитии сельскохозяйственной техники.
Монография П.М. Василенко “Автоматизация процессов сельскохозяйственного производства” занесена в число книг международного фонда ООН. В связи с разработкой американскими учеными “Лунохода” цитируется труд П.М. Василенко “Теория качения колеса со следом”.
До конца своих дней (а умер он 21 апреля 1999 г.) академик П.М. Василенко вел активный творческий поиск: в 1996 г. им издан фундаментальный труд “Введение в земледельческую механику”, в 1998 г. увидела свет его последняя монография “Основы аналитических методов в земледельческой механике”.
В послевоенное время стало возрождаться сельхозмашиностроение и испытательное дело. В 1948 г. была организована сеть машиноиспытательных станций, в том числе и Украинская МИС, которая в 1976 г. была реорганизована во Всесоюзный научно-исследовательский институт по испытанию машин и оборудования для животноводства и кормопроизводства (ВНИИМОЖ), с 1991 г. – в Украинский государственный центр по испытанию и прогнозированию техники и технологий для сельскохозяйственного производства (УкрЦИТ), а в 2005 г. – в Украинский научно-исследовательский институт прогнозирования и испытаний техники и технологий им. Леонида Погорелого. В Минске в 1947 году был создан Белорусский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства, который быстро развивался благодаря работе в его стенах ряда крупных ученых: М.Е. Мацепуро, Ю.А. Вейса, И.П. Опейко и других.
В первое послевоенное десятилетие агроинженерной наукой Беларуси под руководством академика М.Е. Мацепуро разработана и осуществлена концепция комплексной механизации работ по освоению заболоченных земель зоны Полесья. Обоснованы параметров рабочих органов, разработаны и поставлены на производство машины для создания открытой и закрытой осушительной сети, агрегаты для ухода за каналами, машины для расчистки и обработки осушенных земель. К достижениям института в тот период также относятся: семейство плужных канавокопателей, болотная модификация трактора, тросоякорная система с лебёдкой для бестракторной прокладки канав в трудно проходимых местах болот. За 1947 – 1957 гг. институт разработал более 150 различных конструкций сельскохозяйственных машин, орудий и приспособлений, из которых около 60 внедрены в производство. В их числе такие известные машины как картофелесажалка СКГ-6, культиваторы КОН-4,2 и КРН-2,8, плуги ПВ-30 и УЛ-3-30, кормозапарники КПК-1,5 и КПК-2,5, котлы-парообразователи КМ-1600, КМ-1300 и КМ-2500, которые выпускались серийно десятками тысяч штук.
Ученые БелНИИМСХ оказывали значительное влияние на развитие сельского хозяйства. Были разработаны научные основы мобильной энергетики и обоснована система машин для зоны Белоруссии, определены параметры энергонасыщенных тракторов, оптимальный состав машинно-тракторного парка колхозов и совхозов, методы и средства совмещения технологических процессов.
Под руководством академика М.М. Севернева исследованы пути повышения качества, надёжности и сроков службы сельскохозяйственных машин, оптимизации системы технического обслуживания МТП. В области технологии ремонта машинно-тракторного парка крупные наработки сделаны первым ректором БИМСХ, бывшим директором Минского тракторного завода профессором В.П. Сусловым. Академиком ВАСХНИЛ С.И. Назаровым, профессором Л.Я. Степуком и их учениками обоснованы технологии механизации заготовки, приготовления и внесения в почву органических и минеральных удобрений, известковых материалов и ядохимикатов, механизации противоэрозионной обработки почвы и посевов. Вместе с Всесоюзным институтом механизации и другими научно-исследовательскими учреждениями учеником М.Е. Мацепуро, профессором Р.Л. Турецким с коллегами созданы машины, оборудование и приспособления для противоэрозионной обработки почвы в условиях нечернозёмной зоны, механизации культур технических работ, очистки закрытых мелиоративных систем, строительства дренажа.
Основными достижениями в разработке научных положений методологии и методики создания испытаний новой сельскохозяйственной техники следует считать четко определившийся зональный подход, систематизацию стандартизированных, разрозненных раньше методов и создание системы средств экспериментальной оценки агротехнических, эксплуатационно-технологических, эргономических и экономических показателей, базирующихся на статистических методах выборочного наблюдения с применением средств научного планирования экспериментов, методов статистической оценки и интерпретации результатов, использование системотехнических средств анализа полученных результатов и принятие решений – многокритериальный анализ, построение комплексных критериев оценки, построение обобщенных экономических критериев и др.
После Первой мировой войны в научно-исследовательских организациях и высших учебных заведениях СССР был разработан широкий комплекс проблем земледельческой механики как частного, так и общего содержания. Без сомнения, в рамках краткой статьи дать полный обзор указанных проблем очень сложно. Поэтому приводимые нами сведения о разработках в данной области и их авторах следует рассматривать как некоторую часть таких разработок, отражающих основные, фундаментальные вехи развития земледельческой механики.
Одним из наиболее фундаментальных трудов в области почвообработки стал труд В.П. Горячкина “Теория плуга”, изданный в 20-х годах и явившийся основополагающим для расчета и проектирования конных и тракторных плугов. При этом В.П. Горячкин показал, что одной из универсальных геометрических форм, которые могут быть использованы для проектирования отвалов плугов, является цилиндроид.
Мировую известность получила и до настоящего времени применяется “Рациональная формула Горячкина” для силы тяги плугов.
Впоследствии, в 20 – 60-е годы, в разработку проблемы механики обработки почвы, кроме В.П. Горячкина, внесли свой вклад многие известные ученые: Н.Д. Лучинский, Н.В. Щучкин, В.А. Желиговский, А.Н. Гудков, Л.В. Гячев, Л.П. Крамаренко, B.C Жегалов, Г.И. Покровский, Г.Н. Синеоков, М.Е. Мацепуро, Н.В. Бок и др.
Разработка проблем механики обработки почвы тесно связана с механикой сплошных сред вообще. Дело в том, что почва как дисперсная среда при определенных видах обработки может находиться в различных физических состояниях – твердом, пластически-вязком и сыпучем. В соответствии с этим при изыскании оптимальных в агрономическом и энергетическом смыслах технологических процессов обработки нашли широкое применение законы деформирования упругих, вязко-пластических и сыпучих сред, в частности, и в многочисленных зарубежных исследованиях, обобщенных в монографии ученых А. Кулена и X. Кунпера (1986).
Первый комплекс разработок в области механики процессов посева сельскохозяйственных культур выполнили в начале 30-х годов А.Н. Карпенко и М.Н. Летошнев – по высевающим аппаратам и П.М. Василенко – по сошникам.
Результаты этих разработок использованы при создании первых конструкций тракторных сеялок. При этом А.Н. Карпенко установил скорость потока семян у свекловичных сеялок, а М.Н. Летошнев – необходимый объем катушки высевающего аппарата.
В 60 – 70 годы в связи с возникшей потребностью повышения точности посева пропашных культур был проведен широкий комплекс разработок, направленный на решение задач анализа и синтеза параметров высевающих аппаратов точного высева на основе использования положений механики и статистических методов.
В работах Л.П. Орехова, Н.Г. Бондаренко, С.В. Кардашевского, B.C. Глуховского, B.C. Басина, П.В. Савича, О.А. Маковецкого, В.В. Брея, В.А. Шабранского и др. установлены различные функциональные взаимосвязи статистических характеристик распределения семян с распределением растений кукурузы и сахарной свеклы в зависимости от различных факторов.
Выбор наиболее эффективных типов конструкций и параметров заделывающих рабочих органов проведен академиком ВАСХНИЛ Г.Е. Листопадом и докторами наук Ф.М. Соловьем, B.C. Глуховским, B.C. Басиным, О.А. Маковецким и др.
Теория пневматических высевающих систем обобщена в монографии Л.B. Погорелого и др. Разработки по конструктивно-компоновочным схемам различных типов сеялок выполнены П.В. Сысолиным.
Разработки по механике процессов защиты растений от болезней и вредителей, основанные на теории образования, рассеивания и оседания капель, освещены в трудах Н.А. Фукса, Л.М. Левина, В.Ф. Дунского, Т.Н. Абрамовича, Ю.Ф. Дитякина, Л.А. Витман, Л.И. Сено, Ж.М. Судит, В.В. Ченцова, Д.Г. Войтюка, И.Я. Осташевского, И.И. Сушка, Л.Я.Степука, Н.Л. Вызова, Ю.В. Иванова, А.С. Лышевского, М.П. Георгиева, И.П. Масло, Г.И. Живолупа, Н.В. Никитина, E. Султан-Шаха, А.С. Барановского, М.И. Штеренталя и др.
В области механики процессов скашивания и обмолота зерновых культур при их уборке необходимо отметить, прежде всего, разработки В.П. Горячкина, который после издания в 1909 г. своего классического труда “Теория жатвенных машин” в 1932 – 1934 гг. разработал “Теорию ножей жатвенных машин”. При этом он установил значение таких важных показателей процесса резания стеблей, как мощность, площадь, обрабатываемая ножом за один ход, сила резания. Им также выполнена аналогичная разработка для силосо-соломорезок.
Основанием для определения параметров режущих аппаратов жатвенных аппаратов зерно- и кормоуборочных машин явились разработки А. А. Василенко и А.Н. Карпенко, а комбайнов в целом – И.Ф. Василенко, С.Е. Босого, Е.И. Резника, Г.Е. Листопада и др. Л.П. Крамаренко установил, что косой срез стеблей хлебных злаков является менее энергоемким, чем срез, осуществляемый в торец. Элементы теории мотовила были разработаны В.П. Горячкиным, а затем Г.Д. Терским, Н.Б. Боком и др.
Элементы механики молотильных устройств на базе применения принципов динамики твердого тела также впервые рассмотрел В.П. Горячкин.
Другие вопросы, касающиеся изыскания оптимальных параметров молотильного устройства, освещены в трудах В.А. Желиговского, Н.С. Комарова, М.А. Пустигина, Г.М. Гинько, В.А. Сакуна, Г.И. Назарова, Н.И. Кленина, Э.В. Жалнина, Э.И. Шпаковича и др.
Результаты изысканий, направленные на установление оптимальных условий просеивания зерна с помощью клавишных соломотрясов, изложены в трудах И.Ф. Василенко, С.П. Бублика, В.П. Третьяка и др.
Установлено, что повысить эффективность процессов сепарации соломистого вороха ввиду естественных ограничений на частоту и амплитуду колебаний граблин соломотряса возможно главным образом за счет увеличения его длины или площади (количество клавиш), что и реализуется в новых конструкциях комбайнов.
Второй этап сепарации состоит в отделении от зерна легких и тяжелых примесей, отличающихся по своим размерам, форме, свойствам поверхностей и парусности. Отделение (очистка) от зерна легких примесей осуществляется с помощью колеблющихся решет и воздушного потока, создаваемого вентиляторами.
При этом необходимо, чтобы у соломотрясов были уравновешены силы инерции. Первые предпосылки к решению этой задачи приводятся в трудах П. Горячкина, И.И. Артболевского, В.А. Желиговского и др., которые, кстати, начинали свой путь в большую науку на машиноиспытательной станции.
Теория процесса сепарации мелкого зернового вороха на решетках с учетом дальности полета отдельных частиц вследствие различных значений в наклонном потоке воздуха была предложена еще В.П. Горячкиным.
С целью изысканий оптимальных условий просеивания и движения частиц зернового вороха по решетам была разработана теория движения частиц зернового вороха при скольжении их по горизонтальным и наклонным шероховатым поверхностям при различных кинематических элементах движения последних. Такого рода задачи решались В.П. Горячкиным, М.Н. Летошневым, П.М. Василенко, П.М. Заикой и др. Для кругового движения сепарирующей плоскости задача была решена известнейшим ученым Н.Е. Жуковским.
Широкий комплекс разработок, направленных на изыскание конструктивных параметров и кинематических элементов движения решетных станов сепараторов зернового вороха, отражен в трудах Г.Д. Терскова, Б.А. Берга, С.Л. Алферова. Решение этих вопросов стало возможным на основании фундаментальной работы М.И. Блехмана и Г.Ю. Дженелидзе. М.И. Блехманом установлены динамические условия интенсификации процесса при перемещении дисперсного материала по колеблющемуся решету без отрыва и с отрывом от плоскости по вибрирующей поверхности.
Вопросы, касающиеся теории и расчета транспортировки частиц по наклонным шероховатым поверхностям, совершающих гармоничные колебания в двух плоскостях, рассмотрены в трудах Л.Б. Левенсона, М.Н. Легошнева, В.А. Олевского, М.И. Блехмана, Г.Ю. Дженелидзе, П.М. Заики, В.А. Кубышева, С.А. Алферова и др. Но теория сепарации дискретных частиц вороха является частным случаем. Более общим случаем сепарации вороха является сепарация определенного слоя вороха как некоторого потока. Разрабатывая этот вопрос, Г.Е. Листопад установил, что интенсивность процесса сепарации зернового вороха обуславливается количеством энергии, подаваемой через данный объем вороха.
Исследования Н.М. Летошнева, П.М. Заики, Е.С. Гончарова и др. показали, что производительность процессов сепарации можно повысить, используя для этого, наряду с гравитационными, также силы инерции частиц вороха, применив для этого вибрирующие поверхности – плоские, конические или цилиндрические, вращающиеся вокруг вертикальной оси и совершающие колебательные движения в вертикальном направлении. В некоторых случаях при этом может быть использован воздушный поток.
Важнейшие вопросы, связанные с проблемами сушки сельскохозяйственных материалов (в особенности зерна), которые были предметом исследований академика В.П. Горячкина (который в 1907 г. вывел уравнение сушки в виде показательной функции) получили дальнейшее развитие в трудах А.В. Лыкова, С.Д. Птицына, В.И. Анискина и др.
В начале 30-х годов для создания технических средств механизации уборки сахарной свеклы, наряду с эмпирическими предпосылками, были выполнены теоретические разработки П.Ф. Вовком и А.А. Василенко.
Среди наиболее активных участников в области разработки вопросов механики сложных процессов уборки и создания работоспособных свеклоуборочных машин следует назвать А.А. Василенко, П.М. Василенко, В.А. Кулаковского, А. Ф. Ушакова, А.А. Коренькова, И.Д. Еремеева, Н.В. Татьянко, Ю.Б. Аванесова, Л.В. Погорелого, В.М. Булгакова, В.В. Брея, А.С. Кравченко, Н.И. Кривогова, В.Г. Карпова, А.Г. Цымбала, И.Н. Серебрякова, Б.П. Шабельника, Н.М. Хелемендика, Б.М. Гевка, Н.М. Зуева, А.А. Вилде и др.
Основополагающие разработки по механике процессов уборки картофеля и последующему созданию картофелеуборочных машин выполнены докторами технических наук Г.Д. Петровым, Н.Н. Колчиным, А.А. Сорокиным, Г.Н. Настенко, Н.В. Фирсовым, М.Е. Мацепуро, JI.A. Вергейчиком и др., а для моркови и столовых корнеплодов – д.т.н., проф. В.А. Хвостовым.
Вопросы механики приготовления кормов – дробления, плющения, размола, брикетирования, гранулирования и соответствующих технических средств, применяемых для их осуществления, – освещены в трудах М.Б. Фабриканта, П.Ф. Сушко, С.Д. Куща, С.В. Мельника, Г.М. Кукты, Ф.П. Кирпичникова, А.С. Зотова, В.И. Сироватки, А.Г. Мюллера, В.И. Особова, А.А. Омельченко, В.И. Передни, К.Ф. Терпиловского, Е.И. Храпача, В.А. Ясенецкого и др.
Чл.-корр. УААН (ВАСХНИЛ) Ю.Ф. Новиков разработал основы механического фракционирования урожая зеленых растений с получением новых белоксодержащих продуктов пищевого и кормового назначения, существенно повышающего питательную ценность корма.
Заслуживают также быть отмеченными труды Е.М. Гутьяра и М.А. Пустыгина, посвященные вопросам механики процессов прессования сена и других соломистых масс, на основании которых осуществлялись расчеты и проектирование прессов.
Обоснование параметров рабочих органов и машин для уборки льна выполнено доктором технических наук, профессором Г.А. Хайлисом и его учениками.
Одной из самых сложных проблем в области механизации животноводства является механизация доения коров. Составными элементами этой проблемы являлись вопросы, требующие для своего решения применения принципов механики и гидродинамики: обоснование параметров доильных аппаратов, сепараторов, транспортирующих коммуникаций молока, механики поточного метода доения коров и т.д. В разработке этих вопросов принимал участие широкий круг научных работников различных научно-исследовательских учреждений, среди которых необходимо отметить Л.П. Карташева, Э.А. Келписа, Ю.А. Цоя, Л.П. Кармановского, М.М. Луценко, В.Ф. Королева, А.И. Фененко.
Как отмечалось, предметом изучения земледельческой механики являются не только частные вопросы, касающиеся механики конкретных технологических процессов и технических средств для их осуществления, но и общенаучные и общетехнические проблемы, то есть проблемы, относящиеся к широкому кругу процессов и технических объектов.
К таким проблемам относятся: механика переноса частиц и массы материалов в процессе обработки сельскохозяйственных сред; механика движителей (колес, гусениц и др.) при перемещении машин по сминаемой почве; динамика сельскохозяйственных машин и машинных агрегатов; колебания и вибрации в интенсификации технологических процессов, теория масс и скоростей; теория производительности машинных агрегатов и математическое моделирование их функционирования и др.
Широкий комплекс задач такого содержания, как отмечено выше, был решен применительно к процессам высева, сепарации вороха на решетах и др. Так, например, М.И. Летошнев, И.П. Неронов, а затем Е.С. Гончаров разработали теоретические предпосылки переноса частиц материалов с помощью цилиндрических поверхностей при одновременном их отсеве посредством вибрационного возбуждения.
Вопросы механики качения пневматических колес явились предметом разработок многих выдающихся ученых: А.Ю. Ишлинского, М.В. Келдыша, Ю.И. Неймарка, Н.Е. Жуковского, Е.А. Чудакова, П.М. Василенко, М.А. Левина, Н.А. Фуфаева, В.В. Кацыгина и др.
Нельзя при этом не отметить, что вследствие разнообразия физической природы качения деформированных колес разработано несколько разновидностей их качения, а также создана обобщенная теория М.В. Келдыша. Воздействие ходовых систем на деформируемую почву освещено в монографии И.И. Водяника.
Важный раздел земледельческой механики составляет теория масс и скоростей движения сельскохозяйственных машин.
В.П. Горячкин, в частности, установил общий закон загрузки массой рабочих органов машин, общий закон сопротивления обрабатываемых сельскохозяйственных материалов при выполнении производственных процессов и общие формулы, описывающие взаимосвязь энергетических соотношений со скоростью движения трактора и рабочей машины.
В дальнейших разработках И.И. Артоболевского, П.М. Василенко было показано, что для поиска оптимальных соотношений между параметрами и скоростями движения мобильных машин и агрегатов необходимо описывать их движение с помощью дифференциальных уравнений. Одним из первых таких уравнений было уравнение академика И.И. Артоболевского.
Главной задачей теории масс и скоростей является установление оптимальных соотношений между массами и скоростями, приведенными к муфте сцепления трактора. Академик РАСХН и УААН П.М. Василенко показал, что для решения этой задачи необходимо составлять и решать систему двух дифференциальных уравнений для момента движущих сил и сил сопротивления.
Разработке теоретических основ неустановившегося движения, повышению рабочих скоростей машинно-тракторных агрегатов и обоснованию агротехнических требований на перспективные пахотные тракторы различных классов посвящены работы академика ВАСХНИЛ В.Н. Болтинского. Им развиты научные предпосылки к созданию тракторных агрегатов с возможностью широкого изменения энергонасыщенности и рабочих скоростей движения до 12‑15 км/ч. Научно-технические разработки по тракторостроению выполнили проф. В.Я. Анилович, Б.П. Кашуба, Г.М. Кутьков, Ю.К. Киртбая, П.А. Омельченко, И.П. Ксеневич.
Первый комплекс задач динамики машин был разработан В.П. Горячкиным, установившим общие технические основания составления уравнений движения сельскохозяйственных машин; В.А. Желиговским, исследовавшим динамику клавишных соломотрясов; И.И. Артоболевским, разработавшим динамику и теорию уравновешивания кривошипно-шатунных механизмов сельскохозяйственных машин; Н.Д. Лучинским, разработавшим аналитические методы определения инерционных сил сельскохозяйственных машин и методы их уравновешивания; В.Н. Болтинским, установившим динамические предпосылки перевода работы тракторов на повышенные скорости; А.И. Тимофеевым, который показал, что статическая устойчивость движения колесного хода зависит от конфигурации размещения ведущих и ведомых его колес; М.В. Сабликовым, разработавшим элементы динамики механизмов хлопкоуборочных машин.
В дальнейшем объектом динамики стали машины и машинные агрегаты в целом. Так, П.М. Василенко и В.Г. Кузьминский установили зависимость процесса трогания с места и разгона машинного агрегата от значения крутящего момента силы трения на муфте сцепления и приведенного момента сил сопротивления, а также определили условия, при которых самоходный машинный агрегат сохраняет устойчивость, не допускающую продольного и поперечного опрокидывания агрегата.
Вопросам моделирования движения самоходных машин и машинных агрегатов посвящены труды Л.В. Гячева, А.Б. Лурье, В.М. Булгакова, В.П. Жарова, С.А. Алферова, В.Д. Шеповалова и др.
Некоторые процессы в сельском хозяйстве осуществляются при наличии переменных масс. Этим обусловлено то, что для анализа и синтеза параметров таких систем необходимо прибегать к использованию законов механики переменных масс. До настоящего времени эти методы не нашли широкого применения в практике расчета и проектирования объектов сельскохозяйственной техники, но теоретические предпосылки для этого были развиты в трудах А.Н. Бессонова, В.С. Новоселова, И.И. Артоболевского, В.С. Лощина, Л.В. Погорелого и др.
Научные положения методики выбора оптимальных рабочих скоростей и ширины захвата сельскохозяйственных машин различного назначения с учетом элементов динамики разрабатывали д.т.н. В.В. Кацыгин, Н.К. Диденко и др. Для свеклоуборочных машин отмеченные выше задачи были решены Л.В.Погорелым теоретико-экспериментальным методом с привлечением математического моделирования, по свекловичным и кукурузным сеялкам В.В. Бреем.
Прикладные вопросы выбора рациональных параметров машинных агрегатов по эксплуатационно-энергетическим критериям разработаны академиками ВАСХНИЛ В.С. Свирщевским, Г.Е. Листопадом, Л.В. Погорелым, проф. Ю.К. Киртбая, И.А. Иофиновым, Р.Ш. Хабатовым и др.
Л.В. Погорелый развивал, в частности, общие положения теории устойчивости движения машинных агрегатов с учетом стохастических условий. Для оценки устойчивости движения, а, следовательно, и динамических свойств агрегата он рекомендовал использовать критерий устойчивости, характеризуемый дисперсией колебаний приращений поступательной скорости движения.
Методы моделирования динамики машинных агрегатов и их эксплуатационно-технологических и экономических характеристик на ЭВМ развиты академиком ВАСХНИЛ и НАН Беларуси И.С. Нагорским, к.т.н. А.П. Тереховым, В.В. Бреем, В.И. Дубиной, И.В. Головачем, д.т.н. Э.А. Финном.
Некоторые задачи динамики свеклоуборочных машин успешно решены д.т.н., чл.-корр. УААН В.М. Булгаковым. Им также разработана новая теория вибрационного выкапывания корнеплодов из почвы.
Различные вопросы энергетической и биоэнергетической оценки эффективности технологий сельскохозяйственного производства и системы машин разработаны академиками ВАСХНИЛ И.П. Жученко, М.С. Рунчевым, М.М. Северневым и чл.-корр. УААН Ю.Ф. Новиковым и др.
Ряд вопросов теории устойчивости движения многозвенных машин – транспортных агрегатов разработаны чл-корр. ВАСХНИЛ Н.Р. Рашидовым.
Самостоятельный раздел составляет “Механика систем электроэнергетики, теплоэнергетики и автоматического управления процессами сельскохозяйственного производства”. Методические основы электромоделирования сельскохозяйственных потребительских электроустановок на основе электроаналогий были разработаны академиком УААН и РАСХН И.И. Мартыненко. В его работах по электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства получили развитие вопросы электронагрева и электротехнологий в сельском хозяйстве, а также автоматического регулирования микроклимата в сельскохозяйственных производственных помещениях, построения систем АСУ. В их решении принимали участие академик ВАСХНИЛ Л.С. Герасимович, В.В. Брей, Л.М. Токарь и др. Вопросам автоматизации сельскохозяйственных процессов посвящены также работы академиков ВАСХНИЛ И.Ф. Бородина, И.С. Нагорского.
Первым шагом на пути к разработке проблем автоматизации процессов сельскохозяйственного производства было обобщение реального состояния данной проблемы в СССР, сделанное фактически в первом фундаментальном труде по автоматизации процессов сельскохозяйственного производства (П.М. Василенко и И.И. Василенко “Автоматизация процессов сельскохозяйственного производства”. – М.: Колос, 1964 г. и второе издание 1972 г.). Именно этот труд вошел от Советского Союза в международный фонд книг, на основании которых Экономическая комиссия ООН оценивала состояние автоматизации процессов сельскохозяйственного производства в различных странах мира.
Технологические предпосылки к автоматизации сельскохозяйственных технологических процессов в виде их строгой типовой классификации предложил к.т.н., доцент Ф.Т. Гончаренко. Разработки по автоматизации загрузки молотилки зерноуборочных комбайнов выполнены д.т.н. В.Д. Шеповаловым, а двигателей тракторов – чл.-корр. УААН (ВАСХНИЛ) Л.И. Гром-Мазничевским.
Проблема надежности, прочности и долговечности сельскохозяйственной техники и, в частности, разработка методов их ускоренных испытаний рассматривались в трудах академика ВАСХНИЛ и НАН Беларуси М.М. Севернева, д.т.н. В.Я. Аниловича, В.М. Кряжкова, Б.И. Костецкого, Л.В. Погорелого, Н.Н. Подлекарева, Д.Ф. Деберзеева, В.И. Земскова, Е.М. Шехтмана и др.
Какое же обличие обрела сельскохозяйственная техника в процессе своей столетней эволюции и фактически второй научно-технической революции (60 – 90 годы) создавшаяся в рамках достаточно обоснованной и утвержденной системы машин? Прежде всего, нужно отметить, что за это время сменилось 4 или 5 поколений техники, которая создавалась в рамках принятых систем машин. Жизненный цикл этих поколений исследовали на основании положений В.П. Горячкина, профессора Б.А. Лисичкин, В.А. Трапезников, Л.В. Погорелый, А.М. Селиванов используя так называемые интегральные кривые. Интегральная кривая, как правило, описывает достаточно длительный период (8 – 12 и даже более лет), в течение которого может произойти достаточно глубокая модернизация машины и появиться ее модификации. При этом должны сохраниться основные механико-технологические принципы, положенные в основу схемы машины.
На каждом этапе развития достигалось 1,5 – 2-краткое повышение энергонасыщенности и общей эффективности, возрастала ширина захвата машин, выросли мощность и рабочие скорости. Существенно выросла технологическая эффективность машин, их надежность и долговечность. Мощность наиболее применимых тракторов возросла до 180 – 260, 300 – 350, 400 – 422 л.с., а уборочных комбайнов – до 200 – 260, 300 – 380 и даже 450 – 580 л.с.
Большой вклад в модернизацию техники, создание нормативной и информационной базы внесла система испытаний машин, руководимая более 30 лет известным специалистом-организатором JI.A. Корбутом.
Развитию методологии и методов натурных испытаний на базе методических положений В.П. Горячкина и П.М. Василенко посвящены труды академика УААН Л.В. Погорелого, д.т.н. Г.М. Кукты, д.с.-х.н. А.Ф. Ушакова, д.с.-х.н. О.А. Маковецкого, д.э.н. А.Н. Голованова, д.т.н. Л.М. Клятиса, д.т.н. Н.И. Верещагина, к.т.н. Н.Г. Бондаренко, к.т.н. В.А. Шабранскош, к.т.н. В.А. Ясенецкош, к.т.н. Д.К. Мельника, д.т.н. И.Е. Янковского, д.т.н. А.В. Короткевича, д.т.н. А.И. Стуриса и др.
Как видно из краткого очерка, развитие земледельческой механики как прикладной отрасли общей механики в истекшем столетии было обусловлено историческими производственными требованиями – необходимостью разработки научно-технических основ создания и применения систем машин и постоянного обновления сельскохозяйственной техники. Успех этих разработок обусловлен и тем, что им посвятили свою деятельность выдающиеся ученые как старшего поколения, так и многие молодые ученые, работавшие при секции земледельческой механики отделения механизации и электрификации сельского хозяйства ВАСХНИЛ.
После смерти академика В.П. Горячкина в течение более чем 40 лет руководителем секции земледельческой механики был один из его учеников – академик ВАСХНИЛ В.А. Желиговский, затем секцию возглавил академик ВАСХНИЛ М.В. Сабликов. В 80-е годы руководителями секции являлись академики ВАСХНИЛ В.А. Кубышев и Г.Е. Листопад, Л.А. Кормановский.
Разработка отмеченных, а также не отмеченных в данной статье проблем земледельческой механики, зарождавшейся в XX веке, была осуществлена благодаря труду многих коллективов ученых, научных работников, инженеров-конструкторов и инженеров-испытателей.
Таким образом, есть все основания считать, что Дальнейшее развитие средств механизации сельского хозяйства XXI века будет основано на фундаментальных научных разработках в области земледельческой механики века минувшего.