CC BY
32
Методический подход к исследованию эффективности технологических процессов измельчения и разброса соломы зерноуборочного комбайна
А.П. Ловчиков, д. т.н., С.А. Турчанинов, аспирант, А.О.Бжезовский, аспирант, О.С. Шагин, аспирант, ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ
Современный зерноуборочный комбайн в настоящее время рассматривается как самоходная молотилка и совокупность технологических адаптеров [1 — 9].
Материал, методы и результаты исследования. Исследование проводилось с целью обоснования методического подхода к изучению эффективности технологических процессов измельчения и разброса соломы зерноуборочного комбайна. Исследование базируется на общелогическом методе и анализе.
Технологический процесс зерноуборочного комбайна в многочисленных исследованиях рассматривается в виде блок-схемы (рис. 1) [3 — 12].
Рис. 1 - Блок-схема:
1 - вектор контролируемых возмущений; V- вектор контролируемых выходных переменных; Ж- вектор неконтролируемых возмущений, воздействующих на режим технологического процесса; и-вектор контролируемых управляемых воздействий, с помощью которых регулируется технологический процесс
Согласно блок-схеме, представленной на рисунке 1, технологические процессы измельчения и разброса соломы комбайна при прямом комбай-нировании зерновых рассматривались как замкнутые технологические подсистемы, что практически не соответствует современным агротехнологиям возделывания сельскохозяйственных культур. Такой вывод обусловлен тем, что на качественно-количественные показатели выполнения данных подпроцессов технологического процесса зерноуборочного комбайна влияют исходные требования процессов почвообработки и посева ресурсосберегающих технологий возделывания сельскохозяйственных культур. Исходя из этого факта, технологические подпроцессы измельчения и разброса соломы во время комбайнирования зерновых культур можно рассматривать как открытые подсистемы на входе и выходе (молотильный аппарат + соломотряс), что отражено на рисунке 2.
По своей сущности измельчение и разброс соломы при комбайнировании зерновых культур явление многоплановое [1 — 6], поскольку включает в себя подпроцессы: измельчение или измельчение + расщепление; аэротранспортировку; аэроразброс. По своей сути техническое устройство измельчитель-разбрасыватель соломы (ИРС) зерноуборочного комбайна характеризуется совокупностью подпроцессов, для которых имеет место пространственно-временная структура и не просто влияние и взаимное влияние, а частично взаимное включение.
Наличие подпроцессов измельчения или измельчения + расщепления, аэротранспортировки и аэроразброса технологического процесса зерноуборочного комбайна позволяет получить их
Исходные требования, к измельчённой соломе в ресурсосберегающих технологиях возделывания
сельскохозяйственных культур
i
О
1J
о
i
Каче ственно -количе ственные показатели продукта (соломы) после технологического воздействия
| о о о т
Исходные требования, к измельчённой соломе в ресурсосберегающих технологиях возделывания
сельскохозяйственных культур
Рис. 2 - Блок-схема технологических подпроцессов измельчения и разброса соломы зерноуборочного комбайна как открытых подсистем
Рис. 3 - Структурная схема подпроцессов преобразующей технической подсистемы в виде измельчителя-разбрасывателя соломы зерноуборочного комбайна
однородность. При этом обозначенные подпроцессы взаимодействуют, а это означает, что выход одного подпроцесса образует непосредственно вход следующего (рис. 3).
Преобразование входа в выход (рис. 3) можно рассматривать как процесс, а это означает, что при исследовании функционирования преобразующей технической подсистемы в виде измельчения-разбрасывания соломы зерноуборочного комбайна можно применить процессный подход [13, 14]. Его преимущество заключается в непрерывности управления на стыке между отдельными подпроцессами, а также при их комбинации и взаимодействии.
В ранее опубликованной работе отмечается, что выходные показатели функционирования технологического процесса зерноуборочного комбайна условно можно рассматривать как два типа - интегральные и дифференциальные [3]. Так, интегральные - это те показатели, которые образуются в результате действия совокупности преобразующих технических подсистем, а дифференциальные - это выходные показатели, которые образуются в результате действия отдельных преобразующих технических подсистем. К данному типу можно отнести показатели, характеризующие измельчение и разброс соломы на поле.
Исходя из вышеизложенного, преобразующую техническую подсистему измельчитель-разбрасыватель соломы зерноуборочного комбайна можно представить в виде структурной модели, построенной по принципу «вход - выход» (рис. 4).
По рисунку 4 следует, что преобразующая техническая подсистема измельчитель-разбрасыватель соломы комбайна состоит из двух типов технических устройств, имеющих различное технологическое назначение. Так, подсистема-1 обеспечивает измельчение соломы, а подсистема-2 — разброс измельчённой соломы на поле. Кроме того, структурная модель (рис. 4) свидетельствует о том, что входные показатели ХТ) образуются посредствам двух преобразующих технических подсистем зерноуборочного комбайна - это молотильный аппарат и соломотряс. В частности, Х1 - длина стебля соломины, Х2 - диаметр стебля соломины, Х3 - подача соломы в измельчитель, Х4 - равномерность подачи соломы по ширине ротора-измельчителя, Х5 - пространственное расположение стеблей в потоке соломы, т. е. структура потока соломы, Х6 - влажность соломы.
Общеизвестно, что любой процесс и подпроцесс условно можно разбить на три составляющие: исходный материал, технологический процесс или подроцесс и конечный (готовый) продукт (рис. 5).
молотильный аппарат
обмолот
ттт
соломотряс
сепарация крупного вороха
р-
У
ДТё)
преобразующая
преобразующая п реоб разу ющая
| техническая техническая
1 подсистема - 1 подсистема - 2
1 измельчитель разбрасыватель
соломы соломы
техническая система
УШ -►
Рис. 4 - Структурная модель измельчителя-разбрасывателя соломы как преобразующей технической подсистемы зерноуборочного комбайна
Рис. 5 - Блок-схема технологического подпроцесса измельчителя-разбрасывателя соломы зерноуборочного комбайна
Сложность технологического процесса измельчителя-разбрасывателя соломы зерноуборочного комбайна заключается в том, что при выполнении подпроцессов технического устройства рабочие органы и воздух (тело) последовательно взаимодействуют с объектом технологического воздействия (стебель соломы, измельчённая солома), т. е. с исходным и конечным состоянием продукта. В результате формируется система качественных показателей продукта воздействия, которая во многом определяется качеством преобразующей технической подсистемы в виде ИРС зерноуборочного комбайна, или её составляющими и их взаимосвязью.
По рисункам 3 — 5 видно, что функционирование технологических подпроцессов ИРС комбайна можно представить в виде модели [13, 15, 16], построенной по принципу «вход - выход». На входе модели действует вектор-функция 1 внешних воздействий:
г = (дв (1), ю (1), Шсор (1), Кя (1), Бс (1), Ксн (1)), (1) где дс (?) - удельная подача соломы на 1 м ширины измельчителя-разбрасывателя комбайна, кг/с; юс (?) - влажность соломы,%; шсор (?) - влажность сорных растений,%; Ксв (?) - коэффициент, характеризующий связанность стеблей соломы; Бс (?) - ботанический сорт сельскохозяйственной культуры;
Ксн (?) - коэффициент неравномерности подачи соломы по ширине измельчителя-разбрасывателя комбайна.
В качестве выходной переменной принимается вектор-функция качественно-количественных показателей выполнения технологических подпроцессов измельчителя-разбрасывателя соломы комбайна:
У = (я(1), Я (1), ^ (1), »(1), 0(1),
К (1), К (1), К (1)),
р 4 '7 рш 4 '7 нрс 4
где дуд (?) - удельный расход топлива, кг/га; Б (?) - длина измельчённой соломы, мм;
(2)
^из (?) - фракционный состав измельчённой соломы, %;
ив (?) - скорость воздушного потока по ширине ИРС комбайна, м/с;
0в (?) - расход воздуха ИРС комбайна, м3/с; Кр (?) - коэффициент, характеризующий расщепление соломины, %;
Крш (?) - коэффициент, характеризующий разброс измельченной соломы по ширине захвата комбайновой жатки;
Кнрс (?) - коэффициент, характеризующий неравномерность разброса продукта измельчения (соломы) по ширине захвата комбайновой жатки.
Вывод. Вышеизложенное свидетельствует о сложности протекания технологических подпроцессов ИРС зерноуборочного комбайна, поскольку имеет место воздействие на объект (растение в виде соломы) как механическое, так и телом (воздухом). На основе представленного материала далее можно сформулировать структурно-расчетную модель подпроцессов ИРС зерноуборочного комбайна, которая отражает взаимодействие отдельных элементов в системе «объект воздействия - среда-техническая подсистема».
Литература
1. Ловчиков А. П. Технико-технологические основы совершенствования зерноуборочных комбайнов с большим молотильным аппаратом. Ульяновск: Зебра, 2016. 111 с.
2. Ловчиков А. П. Результаты производственной проверки прямого комбайнирования с высоким срезом зерновых культур / А. П. Ловчиков, В. П. Ловчиков, Ш. С. Иксанов [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 1 (63). С. 75 — 77.
3. Ловчиков А. П. Методический подход к моделированию технологического процесса зерноуборочного комбайна / А. П. Ловчиков, Е. А. Поздеев, О. С. Шагин [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 6 (74). С. 91 - 93.
4. Ловчиков А. П., Ловчиков В. П., Поздеев Е. А. Агротехническая оценка работы измельчителей-разбрасывателей соломы комбайнов при уборке зерновых культур прямым комбайнированием // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2016. № 2 (58). С. 55 — 58.
5. Ловчиков А. П. Повышение эффективности технологических систем уборки зерновых культур (на примере регионов Южного Урала и Северного Казахстана СНГ): дис. ... докт. техн. наук. Оренбург: О1АУ, 2006. 271 с.
6. Ловчиков А. П., Поздеев Е. А., Шагин О. С. Взаимопроникающие движения в воздушно-соломистой смеси при
функционировании ИРС зерноуборочного комбайна // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 5 (73). С. 152 - 154.
7. Ловчиков А. П., Ловчиков В. П., Иксанов Ш. С. Теоретический аспект технологического процесса прямого ком-байнирования зерновых культур с двойным срезом стеблей // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2015. № 3 (53). С. 92 - 95.
8. Завражнов А. И. Снижение потерь и механических повреждений зерна при уборке урожая: метод. рекомендации / А. И. Завражнов, М. М. Константинов, А. П. Ловчиков [и др.] Мичуринск: МГАУ, 2012. 82 с.
9. Ловчиков А. П. Формирование уборочно-транспортных комплексов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2003. № 10. С. 7 - 9.
10. Ловчиков А. П. Повышение качества зерна и эффективности использования комбайнов в условиях Южного Урала. Челябинск: РЕКПОЛ, 2002. 144 с.
11. Ловчиков А. П., Ловчиков В. П., Гриднева И. И. Снижение
травмирования зерна в период уборки урожая // Хранение и переработка сельхозсырья. 2002. № 12. С. 35 — 38.
12. Ловчиков А. П., Ловчиков В. П. Механическое травмирование зерна и выход продукции помола // Хранение и переработка сельхозсырья. 2003. № 3. С. 55 - 57.
13. Ловчиков А. П., Ловчиков В. П. Влияние механических микроповреждений зерна колосовых культур на выход продукции при помоле: учеб. пособие. Челябинск: ЮжноУральский ГАУ, 1999. 61 с.
14. Советов Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 2001. 343 с.
15. Система менеджмента качества. ИСО 9001. Международный стандарт. М., 2001. 25 с.
16. Карташов. Л. П. Системный синтез технологических объектов АПК. Екатеринбург: УрОРАН, 1988. 185 с.
17. Карташов Л. П. Параметрический и структурный синтез технологических объектов на основе системного подхода и математического моделирования. Екатеринбург: УрОРАН, 2009. 225 с.
Математическое выражение для определения потерь маслосемян подсолнечника от воздушного потока при использовании решета с регулируемыми отверстиями
А.С. Старцев, к.т.н., ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ
Одним из агротехническим требований, предъявляемых к уборке подсолнечника, является содержание сорных примесей в бункерном ворохе, которое не должно превышать 5% от основной массы. Максимальное содержание основных маслосемян в ворохе достигается путём настроек зазоров жалюзийных решёт в очистке и регулировкой скорости воздушного потока вентилятора [1].
При уборке подсолнечника не всегда удаётся достичь требуемого значения сорности. Согласно протоколам испытаний зерноуборочных комбайнов содержание сорных примесей в бункерном ворохе может достигать 10,78% при обмолоте бильны-ми молотильно-сепарирующими устройствами и 15,74% - при обмолоте аксиально-роторными системами. Однако кроме регулировок жатки или приспособления молотильных аппаратов и систем очистки комбайна на сорность бункерного вороха оказывает влияние и ряд факторов, характеризующих климатические условия, состояние стеблестоя подсолнечника, физико-механические свойства корзинок и маслосемян [2].
Для сельхозпроизводителя послеуборочная доочистка бункерного вороха до норм содержания основных маслосемян - достаточно затратное мероприятие, влияющее на показатель себестоимости производства маслосемян в целом. Поэтому важно достигать минимального содержания сорных примесей в ворохе на первичном этапе очистки - уборке зерноуборочным комбайном [3, 4].
Анализ конструктивных решений по повышению качества очистки вороха показывает, что наиболее распространённым является установка дополнительных ступеней очистки в виде решёт с круглыми отверстиями или отверстиями с фор-
мой, ориентированной на геометрические параметры зёрен сепарируемого вороха. Это приводит к улучшению показателей чистоты вороха на небольшой процент по причине того, что не всегда геометрические размеры отверстий позволяют охватить весь спектр размеров зёрен с учётом сортов или гибридов. По этой причине наиболее крупные зёрна злаковых культур выдуваются воздушным потоком вентилятора очистки либо за пределы комбайна, либо направляются на домолачивающее устройство.
Практическое использование систем с дополнительными ступенями очистки показывает, что снижение числа оборотов вентилятора способствует забиванию решёт или повышению содержания сора в ворохе. Техническим решением, позволяющим снизить содержание сорных примесей в бункерном ворохе подсолнечника до 2,3 — 1,6% в зависимости от сорта или гибрида, является решето с регулируемыми отверстиями для очистки зернового вороха различных культур (рис. 1) [5].
Материал и методы исследования. Для снижения содержания сорных примесей в ворохе подсолнечника решето рекомендуется устанавливать дополнительной ступенью очистки [5], в конструкциях комбайнов «Нива-Эффект» - третьим решетом под нижним решётным станом. В этом случае монтаж решета производят непосредственно к раме нижнего решета посредством болтовых соединений. В очистке комбайнов серии «ACROS» и «Дон» ввиду малого расстояния между нижним решетом и задним днищем (5 см) решето с регулируемыми отверстиями устанавливают под верхним решетом.
Решето с регулируемыми отверстиями представляет собой раму 1 (рис. 2), оснащённую направляющими 2, кронштейнами 3 для крепления к боковине нижнего решётного стана. В направ-
