CC BY
75
DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10718 УДК 631.354:633.853.52
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБМОЛОТА И СЕПАРАЦИИ ЗЕРНА В ДВУХФАЗНОМ МОЛОТИЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ КОМБАЙНА
И. М. ПРИСЯЖНАЯ1, кандидат технических наук, доцент
С. П. ПРИСЯЖНАЯ1, доктор технических наук, профессор
В. Т. СИНЕГОВСКАЯ2, доктор сельскохозяйственных наук, академик РАН, директор (e-mail: valsin09@ gmail.com)
1Амурский государственный университет, Игнать-евское ш., 21, Благовещенск, Амурская обл., 675027, Российская Федерация
2Всероссийский научно-исследовательский институт сои, Игнатьевское ш., 19, Благовещенск, Амурская обл., 675027, Российская Федерация
Резюме. В повышении валовых сборов зерна сои большую роль играет процесс уборки урожая, который должен выполняться с минимальными потерями и высоким качеством при обмолоте растений. Большие возможности сокращения повреждения и потерь семян заложены в создании уборочных машин и прогрессивных технологий обмолота, сепарации и транспортирования. Качество обмолота и дальнейшей сепарация зерна сои зависят от многих факторов, в том числе от длины деки. Однако результаты достоверной оценки влияния длины деки молотильно-сепарирующего устройства комбайна двухфазного обмолота на его обмолачивающую и сепарирующую способность до сих пор отсутствовали. Для решения этой проблемы в статье представлены математические модели, которые позволяют в общем виде описать процесс обмолота и сепарации семян сои при двухфазном обмолоте. Их решение с использованием экспериментальных данных и метода последовательных приближений позволяет более точно определить коэффициенты обмолота и сепарации зерна. При этом учитываются длина молотильно-сепарирующего устройства комбайна, и оценивается её влияние на качественные показатели работы молотильного аппарата комбайна. На основании изложенного процесс обмолота и сепарации семян через решетки деки и промежуточного битера можно также считать единым установившимся вероятностным процессом при неизменных условиях работы и регулировках молотильного устройства. Решение математической модели позволяет обосновать рациональную схему устройства для очистки, сепарации, транспортирования и выделения биологически полноценных и качественных семян сои в отдельный бункер непосредственно при уборке комбайном двухфазного обмолота, без дополнительной послеуборочной обработки. Ключевые слова: соя (Glycine max (L.) Merr.), уборка, двухфазный обмолот, повреждение, сепарация, сбор, качественные семена.
Дляцитирования: Присяжная И. М., Присяжная С. П., Синегов-ская В. Т. Математическое моделирование процесса обмолота и сепарации зерна в двухфазном молотильном устройстве комбайна //Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 7. С. 76-79. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10718.
Качество семян - важнейший фактор повышения урожайности сельскохозяйственных культур, в том числе сои. Только высокие биологические и качественные свойства семян позволяют полностью реализовать потенциальные возможности сорта. По данным многих авторов [1, 2, 3, 4], зерноуборочные комбайны сильно повреждают семена культуры (до 20 %) при обмолоте и транспортировании, а также не разделяют их по биологической разнокачественности, которая обусловлена формированием семян на растениях сои на ранних
стадиях развития растений, что приводит к различиям по массе, энергии роста, всхожести и продуктивности. При комбайновой уборке сои высококачественные семена попадают в общую массу, проходят всю стадию обмолота первым и вторым барабанами, а также очистку, из-за чего дробятся на более мелкие части и отсортировываются при послеуборочной обработке. Такая технология уборки сои приводит к тому, что более 50 % семян недополучают заложенный потенциал, так как разнокачественные семена не разделяются и не собираются отдельно в процессе работы воздушно-решетной очистки комбайна. В результате потери урожая сои достигают 2,7.. .3,3 ц/га.
Большие возможности сокращения повреждения и потерь семян заложены в создании уборочных машин и прогрессивных технологий обмолота, сепарации и транспортирования. Для сои наиболее перспективен 2-х фазный обмолот. Он позволяет снизить повреждение и недомолот семян, увеличить пропускную способность комбайна [5].Особую важность приобретают работы по интенсификации процессов обмолота и сепарации двухбарабанного комбайна с раздельным выделением и сбором биологически разнокачественных полноценных семян для посева отдельным потоком.
Обмолот и дальнейшая сепарация семян сои зависят от многих факторов, в том числе и от длины деки. Однако достоверно оценить ее влияние на обмолачивающую и сепарирующую способность молотильно-сепарирующего устройства двухфазного обмолота на сегодняшний день можно только экспериментально.
Если рассматривать двухфазный обмолот и сепарацию зерна через деку молотильного устройства, как единый вероятностный процесс при неизменных внешних условиях и регулировках, зависимый от обмолачи-ваемости культуры, то можно с использованием работ С. А. Алферова и В. С. Брагинца [6], усовершенствовать и математически описать технологический процесс, а затем, с учетом экспериментальных данных, определить коэффициенты обмолота и сепарации семян сои по длине молотильно-сепарирующего устройства комбайна двухфазного обмолота.
Цель наших исследований - разработка математических моделей вероятностного технологического процесса, позволяющих дать динамический прогноз состояния обмолота и сепарации семян сои по длине молотильно-сепарирующего устройства комбайна двухфазного обмолота, для выявления оптимальной зоны выделения, дальнейшего разделения и сбора из общей массы биологически полноценных и качественных семян в бункер отдельным потоком непосредственно при уборке.
Условия, материалы и методы. Исследования проводили на опытном поле ВНИИ сои, объектом был комбайн двухфазного обмолота и посевы культуры. В работе использовали методы моделирования, статистической и математической обработки данных [7]. Коэффициенты обмолота и сепарации определяли по
Рис. 1. Схема разделения сепарирующей поверхности молотилки комбайна: - сборники семян по длине молотилки (зоны); 1 - пробоотборники;2 - подбарабанье; первого бильного барабана; 3 - приемный битер; 4 - первый бильный барабан; 5 - промежуточная решетка; 6 - промежуточный битер; 7 - подбарабанье второго бильного барабана; 8 - второй бильный барабан; 9 - отбойный битер; 10 - решетка отбойного битера; 11 - фартуки разделения зон; 12 - соломотряс; 13 - подвижная рамка; 14 - пробоотборник соломы; 15 - параллелограммный механизм.
усовершенствованной ранее методике, изложенной в монографии [5].
Для определения фактических коэффициентов обмолота и сепарации семян сои при уборке с комбайна
и сбоины. Дополнительно комбайн был оборудован пробоотборником для сбора соломы. Семена и ворох соломы взвешивали на весах раздельно (с точностью до 5 и 50 г соответственно).
Таблица 1. Агротехнические показатели работы молотильно-сепарирующего устройства комбайна двухфазного обмолота при подаче массы в молотилку 4,26 кг/с, %
Показатель Зона молотильно-соломотрясной группы комбайна
I 1 II 1 III 1 IV I V
Сепарация:
всего зерна 37,5 33,3 12,7 13,7 2,8
дробленого зерна 21,9 24,0 18,4 28,5 7,2
соломистых примесеи 6,8 8,9 5,7 14,7 6,5
Содержание дробленых семян 2,2 2,7 5,6 8,2 10,6
двухфазного обмолота была снята очистка (вентилятор, грохот и решёта). Всю длину молотилки разделили на пять зон (рис. 1): первая и вторая - в подбарабанье первого барабана, что было сделано с целью сбора семян и подтверждения гипотезы легкого их вымолачивания из биологически полноценных вызревших бобов, третья - решетка промежуточного битера, четвертая - подбарабанье второго барабана, пятая -отбойный битер и соломотряс. Продукт, полученный в каждой зоне, поступал в мешки-сборники и состоял из смеси освобожденных от бобов семян, створок
Результаты и обсуждение. Проведенные исследования показали, что по мере продвижения массы в молотильном устройстве содержание зерна в ворохе, прошедшем сквозь молотильно-сепарирующую группу, изменяется. Так, в I и II зонах сепарации на его долю приходилось 37,5 и 33,3 % (табл. 1). Остальную часть составляли соломистые примеси (створки бобов, стебли растений, полова), не вымолоченные бобы и минеральные примеси (почва). Причем с изменением подачи в молотилку происходит перераспределение компонентов вороха, как по зонам, так и в самих зонах.
N0
Х2=Х1
Х1
Хз
1 ■ 1 у2 ■ ■ 1 1 ■ • 1
I 1 « 1 " 1 " С, ~п Т1 С1 £. м, Сг 1С, Т71 2.7 ' » ■ 1 ■ 1 ■ Съ 1" С|2э с!£■» 1 " 1 ■ 1 1 гз '
|_1 |_2 |_3
1_
Рис. 2. Схема процесса обмолота и сепарации зерна по длине молотильно-сепарирующего устройства комбайна двухфазного обмолота: и - длина сепарирующей решетки (деки) соответственно первого и второго барабанов; Ь2 - длина сепарирующей решетки промежуточного битера; N0- количество семян, поступивших в молотильно-сепарирующее устройство; направление движения массы показано стрелками.
На рис. 2 представлена разработанная нами схема единого процесса обмолота и сепарации семян в молотильно-сепарирующем устройстве комбайна с двумя бильными барабанами диаметром 550 мм, углом обхвата по 1280 и четырехлопастным промежуточным битером.
Примем следующие допущения: при движении массы на участке L2 обмолота промежуточным битером не происходит;
тонкий слой сепарирующей решетки - это своеобразный «частично-поглощающий экран», у которого интенсивность поглощения бг/б/ (прохода) зерна в данной точке (на расстоянии/от начала решетки) пропорциональна количеству обмолоченных семян (проходовых частиц) на решетке в этой же точке - у, то есть: (Я
с//
(1)
^01 -h
Mm-Mi
(5)
Э-Л
Z2=e~^-e
,-Mi-Иг^ | е A(Mie
1 .
' Moie~ )
M01-M1
(7)
M01-M1
где ц2 - коэффициент, характеризующий интенсивность процесса сепарации зерна на длине L2 (принято, что ц2 = const на всей длине L2 решетки промежуточного битера).
Суммарная сепарация зерна Z на участке L2будет равна:
Z = Z, + Z2= 1 - - e"A_Moiil
(8)
М01-М1
Анализ выражения (8) показывает, что при L=0 оно принимает вид (4), то есть вначале зоны промежуточного битера количество прошедших через решетку семян равно количеству семян, просепарированных в конце участка L1.
Подставив в выражение (2) значения 2и Х1, получим выражение для У2, которое после преобразований примет вид:
У2 = е^
(9)
На основании изложенного процесс обмолота и сепарации семян через решетки деки и промежуточного битера можно также считать единым установившемся вероятностным процессом при неизменных условиях работы и регулировках молотильного устройства. Тогда уравнение материального баланса для участка решетки первого молотильного барабана, ограниченного длиной L1, в относительных единицах (при N0 = 1) будет иметь вид:
21 +У1 +Х1 =1 (2)
где - количество зерна, прошедшего через решетку на участке длиной L1; У1 и Х1 - количество соответственно свободного и невымолоченного зерна в ворохе, сошедшем с участка решетки длиной L1.
Уравнения, отражающие процесс обмолота и сепарации зерна для участка деки длиной L1:
Х1 =е-А-МоЛ1 (3)
(4)
где е - количество невымолоченного зерна на первой планке деки первого барабана; ц01 - коэффициент, характеризующий интенсивность процесса обмолота зерна по длине L1 деки первого барабана (примем ц01 =сопб! по всей длине деки); ц1 - коэффициент, характеризующий интенсивность процесса сепарации зерна (также примем ц1 =сопб! по всей длине L1 деки); е - основание натуральных логарифмов.
На участок промежуточного битера L2 поступает Х1 невымолоченных семян (3) и У1 свободных семян (5). Но так как промежуточный битер не осуществляет вымолот, то сепарация семян на этом участке составит г2 = УК1-е"^), (6)
и после преобразований примет вид:
М01-М1
Если принять, что ц3 - коэффициент сепарации семян на третьем участке, то сепарация семян через участок деки второго барабана L3 будет равна следую-ще величине:
Z3 = (X, - Х1е'"3 )(1 - е"^)+У2(1 - )+Агз, (10) где Х1е"Лз - количество семян, не вымолоченных в первой стадии обмолота второго барабана; А3 - коэффициент, учитывающий обмолот у первой планки деки второго барабана; (Х1-Х1е_Лз) - количество не вымолоченных семян в первой стадии процесса обмолота вторым барабаном; У2(1-е_и^) - увеличение количества прошедших семян на участке деки длиной L3 за счет свободных семян, поступивших с участка L2; М3- увеличение количества прошедших семян на участке деки длиной L3 в результате дополнительного обмолота вторым барабаном во второй стадии процесса при 0 </3^3.
Величина дг3 определяется суммированием дополнительных проходов семян 623 на участке деки длиной 6/3 каждый за счет приращений свободных семян 6(Х1-Х3), где Х3 - количество не вымолоченных семян за вторым барабаном, которое можно определить из выражения:
Х3 = Хе"*3""03 3 = е-ъ-ъА-Аг-к*, з _ (11)
тогда
£/(х1-Хз) = м.юе-Л|-м°111-/,3-м"33, (12)
= с/(Х1-Х3)[1-е"Цз<^" з)]с/ 3, (13)
где ^3-/3) - длина оставшегося участка деки второго барабана, на котором еще возможна сепарация только что вымолоченных семян 6(Х1-Х3)
Подставляя из (12) в (13) и интегрируя, получим:
и р-А-ИоА-А-Иоз'з _.. „-А-СцА-А-Мо Л7 = е-А-^А-А, _Нтае_
Моз-Мз
■(14)
Подставив дг3 из (14) в выражение (10) и приняв в последнем (/3=L3), получим выражение для сепарации зерна 23 на всей длине деки второго барабана L3.
2з = д-А-^Л ^-А-ИоА-Мз _е~А-1<оА-А + д-А-ИоА-А-)^ +
+е
р-А-Мг^л, р-еА _ ,< р-ИоА\ М01-М1
р-А_., p~l»oA
(це 14 ц01е |*ш ) +
М-01 - М.1
и р-А-^А-А-Моз'з _ ,, р-А-ИоА-А-1»з1з , „,_,
(15)
Моз-Мз
Суммарная сепарация зерна 2 на участке L3 составит
г=^ + +(16)
После подстановки и преобразований уравнение (16) примет вид:
Таблица 2. Сепарация зерна по длине молотилки комбайна (подача 4,9 кг/с)
Зона молотилки Оепарациязерна, %
экспериментальная 1 теоретическая
I 37,5 37,6
II 70,8 71,0
III 83,5 82,5
IV 97,2 97,0
V 100 99,75
a-A-Ma-M«/
(he ~ Цо1е~ )
Moi~Mi
-Д-Цо^-Лз ^g-Ho3l-3 _ g-Цз^ )
М-зе
(17) Моз"Мз
Анализ выражения (17) показывает, что при Ь3 = 0 оно примет вид (8), то есть в начале зоны второго барабана суммарное количество прошедших семян равно количеству семян просепарированных в конце участка L2.
Подставив в выражение (2) значение Z из (17) и выражение для Х3 из (11), получим У3 - количество свободных семян, сошедших с деки второго барабана
е
rA-Ma-Mai« I
Mm ~ Ml
^g-A-ИоЛ-Лз (g-МозЦ _ )
е
гА-Цо^-^-Сю'з
Моз-Мз
(18)
При подстановке выражений (11), (17) и (18) в уравнение материального баланса (2) получим тождество, подтверждающее правильность сделанных ранее предпосылок при выводе уравнений. Выражения (3), (4), (5), (8), (9), (11), (17) и (18) образуют систему уравнений, определяющую динамику процесса обмолота.
Коэффициенты ц1 и ц3 определяли при последовательном уточнении коэффициентов А1 и ц01, А3 и ц03 по усовершенствованной методике, разработанной ранее с использованием экспериментальных данных, по недомолоту за барабанами и зональной сепарации семян, полученных при уборке сои комбайном двухфазного обмолота (табл. 2).
Выводы. Разработанные математические модели (3, 4, 5, 8, 9, 11, 17, 18) дают возможность в общем виде описать динамику процессов обмолота и сепарации по длине молотилки при двухфазном обмолоте сои и определить их коэффициенты.
Представленная схема двухфазного обмолота и сепарации зерна сои показывает его единым установившимся процессом, что позволяет совершенствовать комбайновую уборку зерна.
Литература.
1. Кобозева С. И. Влияние норм высева и способов посева на продуктивность и разнокачественность семян сои северного экотипа:автореф. дисс. канд. с.-х. наук. М.: ФГОУВПОМГАУ. 2009. 19с.
2. Присяжная И. М., Присяжная С. П. Технологические особенности растений и семян сои // Закономерности развития технических и технологических наук: сб.статей международной научно-практической конференции. Уфа: АЭТЕРНА, 2017. С. 67-70.
3.Корниенко В. В. Совершенствование технологического процесса обмолота сои аксиально-роторным молотильно-сепарирующим устройством: автореф. дисс. канд. техн. наук. Благовещенск: ФГОУ ВПО ДальГАУ, 2004. 19 с.
4. Kato K., Jbuki T., Jshida S. Studies on harvesting of soybean by improved wheat combine // Res. Bull. Hokkaido Nat. Agr. Exper. Stat. 1986. No. 145. Pp. 1-12.
5. Присяжная И. М., Присяжная С. П., Присяжный М. М. Совершенствование процесса обмолота, сепарации и транспортирования для повышения качества семян при комбайновой уборке энергетически эффективной сои: коллективная монография. Благовещенск: Изд-во АмГУ, 2017. 216 с.
6.Алферов С. А., Брагинец В. С. Обмолот и сепарация зерна в молотильных устройствах как единый вероятностный процесс // Тракторы и сельхозмашины. 1972. № 4. С. 23-26.
7. Зарецкая М. В. Моделирование воздействия аграрного сектора экономики на качество окружающей среды // Международный научно-исследовательский журнал. 2017. № 06 (60). С. 65-68.
MATHEMATICAL MODELING OF THE PROCESSES OF THRESHING AND SEPARATION OF GRAIN IN A TWO-STAGE THRESHING COMBINE
I. M. Prisyazhnaya1, S. P. Prisyazhnaya1, V. T. Sinegovskaya2
'Amur State University, Ignat'evskoe sh., 21, Blagoveshchensk, Amurskaya obl., 675027, Russian Federation
2All-Russian Research Institute of Soybean Breeding, Ignat'evskoe sh., 19, Blagoveshchensk, Amurskaya obl., 675027, Russian
Federation
Abstract. The process of harvesting, which must be carried out with minimal losses and high quality when threshing plants, plays a major role in increasing the gross yield of soybean grain. Great opportunities to reduce damages and losses of seeds are laid in the creation of harvesting machines and advanced technologies of threshing, separation and transportation. The threshing and further separation of soybean grain depend on many factors, including the length of the deck. However, a reliable assessment of the effect of the length of the deck of the threshing-separating device of a two-stage threshing combine on its threshing and separating ability has not been carried out up to the present day. To solve this problem, the article presents mathematical models that allow to generally describing the process of threshing and separation of soybean seeds under two-stage threshing. Their solution, using experimental data and the method of successive approximations, allows determining more accurately the coefficients of threshing and separation of grain. In this case, the length of the threshing-separating device of the combine is taken into account, and its influence on the qualitative indicators of the threshing apparatus of a two-stage threshing combine is estimated. Based on the foregoing, the process of threshing and separation of seeds through the grates of the deck and the intermediate beater can also establish a unified probabilistic process under unchanged operating conditions and adjustments of the threshing device. The solution of the mathematical model makes it possible to substantiate the rational scheme of the device for cleaning, separation, transportation and selection of the biologically valuable and high-quality soybean seeds into a separate bunker already when harvesting with a two-stage threshing combine, without additional postharvest treatment. Keywords: soybean (Glycine max(L.) Merr.), harvesting, two-stage threshing, damage, separation, gathering, high-quality seeds. Author Details: I. M. Prisyazhnaya, Cand. Sc. (Tech.), assoc. prof.; S. P. Prisyazhnaya, D. Sc. (Tech.), prof.; V. T. Sinegovskaya, D. Sc. (Agr.), member of the RAS, director (e-mail: [email protected]).
For citation: Prisyazhnaya I. M., Prisyazhnaya S. P., Sinegovskaya V. T. Mathematical Modeling of the Processes of Threshing and Separation of Grain in a Two-Stage Threshing Combine. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2018. Vol. 32. No. 7. Pp. 76-79 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10718.
