Обоснование рационального двухфазного обмолота зерновых культур Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

УДК 631.354.2

М.И. ЛИПОВСКИИ, д-р техн. наук

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО ДВУХФАЗНОГО ОБМОЛОТА ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР

На основе анализа прочности связи зерна с колосом дано обоснование рациональной технологии двухфазного обмолота зерновых культур однобарабанным молотильным аппаратом. Проведен сравнительный энергетический анализ предложенного и применяемых способов обмолота. Изложена принципиальная схема молотильного аппарата для реализации предложенной технологии обмолота.

Анализ развития способов обмолота [1] показал, что применяемые в современных зерноуборочных комбайнах однофазный и двухфазный обмолот связаны с излишним энергетическим воздействием на зерно, что ведет его к повышенному травмированию и нерациональному расходу энергии.

Прочность связи зерна с колосом зависит от вида и сорта обмолачиваемой культуры, ее спелости и влажности. Она различна для отдельных зерен одного и того же колоса. По данным И.Ф.Василенко [2], энергия, необходимая для выделения зерна при центрифугировании, изменяется от (0,3-0,5) 10-3 до (12-16))• 10-3 Дж для труднообмолачиваемой и от 0,2• 10-3 до (5...6) 10-3 Дж для легкообмолачиваемой пшеницы.

Зависимость между выделением зерна и затратами энергии при обмолоте действием инерционных сил и обмолоте ударом представлены в табл. 1 и 2, составленных по материалам [3]. Как видно из таблиц, 75, 80 и 90% зерна колоса выделяются при затратах работы соответственно в 2,3-13,9; 2,1-11,1 и 1,6-6,9 раза меньших максимальных затрат энергии на выделение одного зерна. Отмеченное свидетельствует о целесообразности применения для разрушения связей зерна с колосом возрастающего, то есть многоуровневого энергетического воздействия на него молотильного устройства.

25

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.

Таблица 1

Выделение зерна из колоса зерновых культур при обмолоте методом инерционных сил в зависимости от затрат энергии на вымолот одного зерна (10-3ДЖ/% от Amax*)

Культура, сорт Количество выделенных зерен в процентах от всего количества зерен в колосе

75 80 90 97 100

Пшеница Лютесценс 062 1,76/42,8 1,96/47,6 2,35/57,1 - 4,11

Пшеница Лютесценс 1060/10 1,67/39,6 1,86/44,2 2,55/60,5 - 4,21

Пшеница Саррубра 2,65/21,2 3,05/24,4 4,04/31,3 - 12,50

Пшеница Гордейформе 0422 3,33/35,8 3,72/40,0 5,48/58,9 - 9,31

Овес Победа 0,78/23,5 0,98/29,4 1,56/47,0 - 3,32

Рожь Елисеевская - - - 0,59/42,9 1,38

Рожь Саратовская - - - 0,98/45,5 2,15

* Amax - значение энергии необходимое для выделения наиболее прочно связанного колосом зерна

Затраты энергии на выделение зерна из колоса центробежными силами представлены в табл. 3. Наибольшей затраты энергии требует обмолот яровых пшениц, наименьших - обмолот ржи и голозерного ячменя. Озимые пшеницы по этому показателю занимают промежуточное положение.

При обмолоте другими способами (с помощью инерционных сил, удара, удара с трением) культуры и их сорта по затратам энергии располагаются в такой же последовательности, как и в табл. 3, но различаются величиной этих затрат. Наибольших затрат энергии требует обмолот ударом с трением, наименьших - действием инерционных сил.

26

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

Таблица 2

Выделение зерна из колоса зерновых культур при обмолоте методом инерционных сил в зависимости от затрат энергии на вымолот одного зерна (10"3ДЖУ% от Атах)

Культура, сорт, дата обмолота Количество выделенных зерен в процентах от всего количества зерен в колосе

75 80 85 90 95 98- 100

Пшеница 2411 29.07 7,75/14,2 9,31/17,1 - 13,73/25,3 - 54,35

Пшеница 2411 5.08 3,63/7,2 4,51/9,0 - 7,25/14,5 - 50,08

Пшеница 2411 11.08 3,04/17,7 3,72/21,7 - 5,88/34,3 - 17,06

Рожь Вятка 29.07 1,37/11,9 2,16/18,8 - 5,39/47,0 - 11,47

Рожь Вятка 5.08 - - 1,37/11,9 2,84/24,8 - 11,47

Рожь Вятка 11.08 - - - - 2,45/34,7 7,06

Существенное влияние на энергоемкость обмолота оказывает влажность зерна. При обмолоте ударом совместно с трением работа на выделение одного зерна уменьшается с 48 до 12 10-3ДЖ при снижении влажности зерна с 40 до 14%. Отмеченное обусловливает большую энергоемкость обмолота влажных культур по сравнению с энергоемкостью обмолота сухих культур.

При выделении в процессе обмолота зерна из колоса энергия затрачивается не только непосредственно на этот процесс, но и на преодоление различных сопротивлений остальной массы колоса. Согласно [4], на процесс выделения зерна из колоса расходуется 15-18% энергии, затрачиваемой на обмолот, а остальная ее часть расходуется

27

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.

на преодоление трения, деформацию соломы и сообщение скорости продуктам обмолота.

Таблица 3

Энергия, необходимая для на выделения одного зерна центробежными силами (10-3ДЖ)

Культура, сорт Среднее за период уборки значение Аср Максимальное значение А -^-max Аср/Атах

Рожь Саратовская селекционная № 1 2,94 5,00 0,588

2,50 5,91 0,423

Елисеевская

2,86 4,93 0,580

Ячмень Юдинский

Озимая пшеница Степнячка 4,01 9,48 0,423

Украинка 3,73 10,76 0,347

Гостинская 0237 3,18 6,92 0,460

Лютесценс 1060/10 2,70 5,64 0,479

Ставрополька 2,58 9,11 0,283

Яровая пшеница Гордейформе 0432 4,52 12,74 0,354

Саррубра 3,84 9,40 0,408

Лютесценс 062 3,40 5,71 0,595

Эритроспермум 2,90 8,08 0,358

Представленный анализ особенностей прочностных характеристик колоса зерновых культур (см. табл. 1 и 2), когда наиболее прочно с колосом связаны, как правило, 15-20% зерен, а сила связи остальных 80-85% зерен в два и более раза меньше, показывает, что общее энергетическое воздействие на зерно можно значительно снизить, если наносить по колосу удары двух уровней интенсивности, соответствующих силам связи с колосом отмеченных двух групп зерен. Соотношение между количеством ударов малой и большой интенсивности должно соответствовать отношению числа слабо и сильно связанных с колосом зерен.

Реализацию предложенного принципа обмолота целесообразно осуществить путем изменения зазора между барабаном и подбара-баньем, когда нанесение по обмолачиваемой культуре ударов высокой

28

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

интенсивности обеспечивается прохождением малой части рабочих элементов барабана (бичей) над планками подбарабанья с малым зазором, а нанесение ударов малой интенсивности - прохождением остальных рабочих элементов барабана относительно подбарабанья с большим зазором. Обеспечить такое функционирование молотильного аппарата можно за счет конструктивного оформления барабана, располагая его рабочие элементы, наносящие удары высокой интенсивности, на большем удалении от оси вращения, чем рабочие элементы, наносящие удары малой интенсивности.

Совершенно очевидно, что работающий по изложенному принципу молотильный аппарат, благодаря смене интенсивности ударных импульсов, оказывает немонотонное воздействие на обмолачиваемую культуру, технологическая целесообразность которого для повышения интенсивности обмолота отмечена в работе [5].

Сравнивая предложенный принцип обмолота с двухфазным традиционным, отметим сходство между ними в том, что в обоих случаях обмолот производится при двух уровнях энергетического воздействия. При традиционном двухфазном обмолоте это достигается различием режимов работы первого и второго молотильных аппаратов, а в рассматриваемом - воздействием на обмолачиваемую культуру двух групп рабочих элементов барабана при различных значениях зазоров между этими элементами и подбарабаньем.

Различие между сравниваемыми принципами обмолота состоит в количественной стороне энергетического воздействия, которое будем оценивать количеством и интенсивностью наносимых бичами барабана ударов.

При двухфазном традиционном обмолоте количество ударов малой и большой интенсивности (наносимых соответственно первым и вторым барабанами) равно. В рассматриваемом случае соотношение между количеством ударов большой и малой интенсивности должно примерно соответствовать наличию в колосе сильно и слабо связанных с ним зерен. Это соотношение может быть принято 1:3-1:4. Общее количество ударов, наносимых по обмолачиваемой культуре при двухфазном традиционном обмолоте, в два раза больше (14-30 ударов), не считая воздействия промежуточного битера, чем в (7...15 ударов). Отмеченное указывает на более рациональную организацию процесса обмолота, чем при двухфазном обмолоте, осуществляемым двухбарабанным молотильно-сепарирующее устройство.

29

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.

Различие между двухуровневым энергетическим воздействием при двухфазном традиционном обмолоте и при предложенном состоит и в последовательности нанесения обмолачивающих ударов малой и большой интенсивности. В первом случае сначала наносятся удары малой интенсивности, а затем - большой. Во втором случае очередность нанесения различных ударов непостоянна. По большей части (75-80%) поступающей в молотильный аппарат культуры у первой планки подбарабанья наносится первый удар (в значительной мере определяющий качественные показатели обмолота [6]) малой интенсивности. По меньшей части (20-25%) культуры наносится первый удар высокой интенсивности.

Таким образом, последовательность нанесения ударов разной интенсивности у первой планки подбарабанья для 75-80% массы обмолачиваемой культуры в той или иной степени соответствует двухфазному традиционному обмолоту. Отмеченное, а также двухуровневое энергетическое воздействие при обработке всей подаваемой массы указывает на то, что с большим приближением рассматриваемый обмолот можно квалифицировать как двухфазный, а простота реализации в однобарабанном молотильном устройстве позволяет назвать его рациональным

Проведем сравнительный энергетический анализ применяемых принципов обмолота и предложенного. При этом удобно в качестве эталона принять воображаемый обмолот (назовем его эталонным), при котором на отделение каждого зерна колоса затрачивается энергия, пропорциональная энергии (силе) связи этого зерна с колосом

св

Ai = КбЛ{ , (1)

где Ai - энергия, необходимая для выделения i-го зерна из колоса, Дж;

А™ - энергия связи i-го зерна с колосом, Дж;

Кб - коэффициент пропорциональности.

Очевидно, что энергоемкость эталонного обмолота минимальная. Энергоемкость других способов обмолота будем характеризовать коэффициентом, представляющим отношение энергоемкости каждого способа обмолота к энергоемкости эталонного обмолота. Назовем этот коэффициент индексом энергоемкости

30

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

I =■

(2)

где Ij - индекс энергоемкости;

Ak - энергия, необходимая для обмолота одного колоса при

любом (j -м) способе обмолота (барабанными молотильными устройствами), Дж;

АКТ - энергия, необходимая для обмолота одного колоса при

эталонном обмолоте, Дж.

Пз

АЭт = j Ai

i=1

(3)

где пз - количество зерен в колосе.

Разделив и умножив правую часть равенства на пз, получаем

Ак = Ас р • Пз,

хэт

(4)

К

К

ЭТ

где

Пз

j Ai

Ас р= —— Пз

(5)

Для индекса энергоемкости рационального обмолота можно записать:

I рац

Ак

рац

А

эт

Атз • Шз + А шах^Пз — Шз} Ас р • Пз

(6)

к

где 1рац - индекс энергоемкости рационального обмолота;

тз - количество зерен колоса, которые могут быть выделены при энергетическом воздействии нижнего уровня; Атз - энергия, необходимая для выделения тз-го зерна из колоса, Дж;

31

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.

Разделив числитель и знаменатель правой части равенства (6) на Атах.пз получаем:

I рац =

А

к

рац

i - m (1 -с

А

к

эт

w

(7)

где

С

Атз A max

(8)

Аср

W = ~-----. (9)

А max

Как видно из табл. 1 и 2, для исследованных в работе [3] куль-

Шз

тур С изменяется при различных видах воздействия и - = 0,75...0,80

Пз

в пределах 0,07-0,48. Принимая неблагоприятное (близкое к максимальному) значение С = 0,5 и близкое к среднему (по табл. 3) значение W = 0,5, получаем:

I рац =

1 - 0,75(1 - 0,5) 0,5

1,25.

Для однофазного обмолота, выполняемого однобарабанным молотильным аппаратом, индекс энергоемкости определяется выражением:

т Ак А max • Пз 1

11б = —б = —----------= —, (10)

АКТ Ас р • Пз w

где А1б - работа, необходимая для обмолота одного колоса при однофазном обмолоте, Дж.

Принимая наиболее благоприятное (максимальное по табл. 1) значение w = 0,6, получаем:

11б = 1,67.

32

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

Для двухфазного обмолота, осуществляемого двухбарабанным МСУ (типа применяемого в комбайнах АО "Красноярский завод комбайнов"), имеем:

где 12б

А\ А2 б

12б -

Аб

А

ЭТ

- индекс энергоемкости двухфазного обмолота;

к

(11)

- работа, необходимая для обмолота одного колоса при двухфазном обмолоте, Дж.

Разделив числитель и знаменатель правой части равенства (11) на А^б, получаем:

12б

Замечая, что

Ак

2б

А

ЭТ

к

he •

А

А

к

2б

К

1б

А2 6 Nyd2 б

АКб ^уд1б

и подставляя (13) в (12), получим

J _ т А2б _т ^2б

1 2б - 11б ' “77“ - 11б •'

Ак А1б

Ыуд1б

(12)

(13)

(14)

где Nwk5 и Nw26 - удельная потребная мощность соответственно при однофазном и двухфазном обмолоте, кВт/(кгс-1).

Определим удельную потребную мощность двухфазного обмолота:

Ыуд2б

N1 + N 2 + Ыпб

q

N 1уд + N уд + Nупа, (15)

уд.пб -

33

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.

где Ni, N2 и Nn6 - мощность, потребляемая на осуществление технологического процесса соответственно первым и вторым барабанами, промежуточным битером двухбарабанного МСУ, кВт;

q - фактическая подача убираемой культуры в молотилку комбайна, кг/с.

лг N1. N 1уд — ; (16)

q

'g'S II 1 м (17)

q

-\тусл Nn6 N уд.Лб — ’ (18)

где N1w - удельная потребная мощность на обмолот первым барабаном, кВт/(кгс-1);

Nусуд - удельная потребная мощность на обмолот вторым

барабаном условная (фактическая подача убираемой культуры во второй молотильный аппарат q2<q), кВт/(кгс-1);

N Усл N удлб

- удельная мощность, потребная на технологический

процесс, осуществляемый промежуточным битером, условная, кВт/(кгс-1).

Будем считать, что регулировки второго молотильного аппарата двухбарабанного МСУ соответствуют регулировкам однобарабанного молотильного аппарата, что обычно и практикуется. В первом молотильном аппарате, осуществляющем обмолот в мягком режиме, зазоры между барабаном и подбарабаньем больше, частота вращения меньше, чем у второго молотильного аппарата, т.е.

Лср1 > Л1ср;

П1 < П2,

где Л1ср

Лвх1 + Лвых1

34

2

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

Авх 2 + Авых2

А 2с р= 2 ’

Авх1, Авх2, Авых1, Авых2 - зазоры между барабаном и подбарабаньем соответственно первого и второго молотильного аппаратов, мм.

Обозначим:

А 2ср

Ai ср

Za

Zn .

(19)

(20)

Если бы первый молотильный аппарат был бы настроен так же, как и второй, то с достаточной точностью можно было бы считать, что

^д! _ Куд2 _ Nуд1б . (21)

В достаточно малом диапазоне отличия регулировок первого и второго молотильных аппаратов, рекомендуемых заводской инструкцией по эксплуатации двухбарабанного комбайна, можно считать изменение удельной потребной мощности прямо пропорциональным изменению частоты вращения и обратно пропорциональным изменению зазоров.

Тогда, с учетом соотношений (19) и (20), можно записать:

Nyd\ = Nyd2 • Z A - Zn = Nyd\6 • Z A^n . (22)

Разделив числитель и знаменатель правой части равенства (17) на q2 и, учитывая соотношение (21), а так же то, что

N2

q 2

= N

2 уд ;

q2 = q [l - (С\б + Спб)]

(23)

(24)

получим:

35

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.

N2уд — Nyd16^1 — (С1б + Спб )J, (25)

где С1б и Спб - степень сепарации вороха соответственно первым молотильным аппаратом и промежуточным битером.

Разделив числитель и знаменатель правой части равенства (18) на и учитывая, что

— — Nydne; (26)

q Пб

qпб— q С1 — С16) , (27)

где qпб - фактическая подача обмолачиваемой культуры к промежуточному битеру, получим:

N’lZ — Nyd.n6 (1 — С1б )• (28)

Подставляя в формулу (14) значения входящих величин согласно равенствам (15)-(28), получим:

I26 —116 [^ +1 — (С1б + Спб) + (1 — С1б)] • (29)

N уд1б

Обработав материалы заводской инструкции по комбайну "Енисей-1200" в части рекомендуемых значений регулируемых параметров молотильного аппарата для всех зерновых культур, получили: Д1ср = 11,6 мм, Д2ср = 13,6 мм; п1ср = 965 мин"1; п2ср = 1080 мин"1;

£д — 0,87; — 0,89 •

По данным работы [8] можно принять:

^д.пб, ~ 0,1^д1б; С1б = 0,32; Спб = 0,03.

Подставляя приведенные значения в (29), получаем 12б — 2,49.

Из сравнения полученных данных об энергоемкости различных рассмотренных способов обмолота видно, что применяемые однофазный обмолот (11б = 1,67) и двухфазный обмолот (12б = 2,49) по энергоемкости значительно уступают рациональному обмолоту (!рац = 1,25). 36

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

Энергоемкость последнего на 25% меньше энергоемкости однофазного и на 50% меньше энергоемкости двухфазного обмолота.

Поставив на первое место энергетический анализ различных способов обмолота, мы исходили из того, что энергетическое воздействие на обрабатываемую среду обусловливает в значительной мере количественные и качественные их показатели, в частности, вымолот зерна, его дробление и микроповреждение. Поэтому рациональную в энергетическом смысле организацию технологического процесса, и не только обмолота, можно рассматривать как важнейшую предпосылку получения хороших количественных и качественных его показателей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Липовский М.И. Анализ развития способов обмолота // Технология и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства в Северо-Западной зоне России: Сб. тр. - С-Пб: СЗНИИМЭСХ, 2002. - Вып. 73. - С. 111-118.

2. Василенко И.Ф. Прочность связи зерна с колосом // Сельскохозяйственная машина. - 1936. - № 5. - С. 9-11.

3. Соколов А.Ф. Физико-механические свойства колосовых культур //Теория, конструкция и производство сельскохозяйственных машин. - М.: Сельхозгиз, 1940. - С. 635-645.

4. Пустыгин М.А. Теория и технологический расчет молотильных устройств. - М.: Сельхозгиз, 1948. - 96 с.

5. Шумаков Н.С., Четыркин Б.Н., Громов А.Г. О прочности связи зерна с колосом //Вопросы механизации сельскохозяйственного производства: Труды. - Челябинск: ЧИМЭСХ, 1970. - Вып. 48. -С. 71...80.

6. Лачуга Ю.Ф. Исследование обмолота хлебной массы на входе в молотильное пространство. Автореф. дисс... канд. техн. наук. - М., 1972. - 26 с.

Получено 21.12.2003.

37