CC BY
29
УДК 631.17
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МАШИН УБОРОЧНО-ТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ НЕВЕЙКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРИЦЕПНЫХ КОМБАЙНОВ НА ПРЯМОМ КОМБАЙНИРОВАНИИ
UDC 631.17
OPTIMIZATION OF THE PARAMETERS OF MACHINES OF THE HARVESTING COMPLEX FOR UNWINNOWED GRAIN WITH THE APPLICATION OF PULL-TYPE COMBINES FOR STRAIGHT COMBINING
Палапин Алексей Витальевич к.т.н., доцент кафедры ЭМТП Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия
Предложена математическая модель оптимизации параметров машин уборочно-транспортного комплекса для «Невейка» с применением прицепных комбайнов на прямом комбайнировании
Ключевые слова: ОПТИМИЗАЦИЯ, ТРАКТОР, КОМБАЙН, МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АГРЕГАТ, МОДЕЛЬ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ЭНЕРГОЕМКОСТЬ
Palapin Aleksei Vitalyevich
Cand.Tech.Sci., associate professor
Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia
The mathematical model and the flow chart of the algorithm of the parameters and operating modes optimization of the multifunctional harvester on the basis of the pull-type combine harvester on the straight combining with the winnowing of grain are developed
Keywords: MULTIFUNCTIONAL HARVESTER, COMBINE HARVESTER, PARAMETERS, OPTIMIZATION, POWER INPUTS
Предлагаемое совершенствование технологии уборки зерновых колосовых культур прицепными зерноуборочными комбайнами по методу сбора в бункер невеяного вороха и очистки его на стационаре не является принципиально новым способом. Эта технология уже применяется, например, в Канаде [1] и обеспечивает высокую эффективность. Известны работы ВИМ, ВИСХОМ, ВНИПТИМЭСХ и др. [2, 3]. Предлагаемые нами отличия от известной технологии заключаются в следующем. На базе прицепного комбайна с измельчителем создается комбинированный агрегат для уборки урожая с одновременным лущением стерни или посевом пожнивных культур [2]. Ворох, выгружается из бункера в накопитель-перегрузчик, агрегатируемый с тракторами, и транспортируется на стационар, где с помощью сепаратора проводится разделение вороха на товарное зерно и мякину. Часть товарного зерна поступает в хранилище, а часть - на сортировку на семена, мякина пневмотранспортером складируется в курган и используется на корм животным.
Для обоснования эффективности предлагаемой технологии разработана математическая модель для оптимизации параметров машин уборочно-транспортного комплекса (УТК), блок-схема алгоритма которой представлена на рисунке.
Принятые допущения в модели: все машинно-тракторные агрегаты (МТА), входящие в состав УТК, качественно выполняют агротребования. С целью повышения продолжительности уборки до 20 рабочих дней должно убираться не менее 4 сортов пшеницы с разными сроками созревания. При этом каждый сорт должен убираться не более чем за пять дней, после которых значительно возрастают биологические и механические потери урожая. Соблюдение поточности уборки и непрерывности процесса - объем намолоченного вороха за час должны равняться транспортируемому на стационар. Уборка зерновых колосовых культур с применением невейки не предусматривает в случае изменения погодных и других условий в предложенной матмодели уборку по другой возможно более рациональной технологии с максимальным сохранением выращенного урожая, но обеспечивает прямое комбайнирование других сельскохозяйственных культур (зернобобовых, масличных).
В качестве критерия оптимизации (целевой функции) модели принят минимум совокупных затрат энергии на все технологические операции уборки урожая и основных послеуборочных работ (пожнивной посев, доработка зерна, складирование мякины). Критерий оптимизации можно представить так:
Ез +ЕаАр+ЕТП+ЕмУПА+ ЕНП+ЕНП+Епосев+ ЕGm+ЕтЛ)®min (1)
где ЕЗ - совокупные затраты энергии на реализацию технологии уборки зерновых, МДж/т; Е/гр - затраты энергии на перекатывание многофункционального агрегата (МУПА), МДж/т; Ехгр - затраты энергии на холостой ход агрегата, МДж/т; ЕТП - затраты энергии на
технологический процесс работы агрегата, МДж/т; Е'МПА - затраты энергии на изготовление, использование, техническое обслуживание и ремонт агрегата, МДж/т; ЕНП - затраты энергии на изготовление, использование, техническое обслуживание и ремонт агрегата для транспортировки вороха на стационар, МДж/т; Е’НП - затраты энергии на транспортировку вороха, МДж/т; Епосев - затраты энергии на пожнивной сев сеялкой прямого посева в составе МУПА, МДж/т; ЕСт - прямые затраты энергии на расходуемое топливо агрегатами, МДж/т; ЕТЛ - затраты энергии на работу стационарной технологической линии по доработке и разделению вороха, МДж/т.
В качестве ограничений, введенных в модель, приняты: уборочные площади ^, рабочая длина гона Ьр, урожайность зерна V, ширина захвата жатки В, расстояние переездов £ машин, плотность вороха р, вместимость бункера Уб комбайна и накопителя-перегрузчика УНП, продолжительности уборки прд, отношение массы мякины к массе зерна дм, буксование ходовых колес трактора 8, агрегатирующего комбайн (оператор 10), рабочей скорости ир комбайна (оператор 4), тягового сопротивления сеялки Яс (оператор 29) и др.
В составе УТК нами рассмотрен прицепной зерноуборочный комбайн, работающий в режиме прямого комбайнирования, сбора невейки, измельчения и разбрасывания соломы в агрегате с зерновой сеялкой прямого посева. Такой агрегат отличается от технологии уборки зерна методом очеса на корню (МУПА-1). Все это учтено в математической модели (см. блок-схему алгоритма). Получены уточненные зависимости для комбайна в режиме прямого комбайнирования: рабочей скорости (оператор 4), комбайна Ок (оператор 23), потребная мощность двигателя NТр (оператор 30), агрегатирующего прицепной комбайн с сеялкой и
расход топлива (операторы 40,а и 40,б), который возрастает при работе комбайна на 40 % по сравнению с очесом на корню [4, 5].
Рабочая скорость ир движения комбайна многофункционального уборочно-посевного агрегата будет определяться по уточненной формуле:
у _ 36 д • К п _ 22 ,79 • дК п _ 22 ,8 • д (2)
р 0,95 В • V В • V В • V ’ ()
д - пропускная способность комбайна, кг/с; КП - коэффициент снижения пропускной способности комбайна по сравнению с очесом на корню.
Масса комбайна, в отличие от очесывающего варианта, будет повышена за счет массы измельчителя соломы, который не используется при очесе. Тогда дополнительно к слагаемым оператора 23 необходимо добавить массу измельчителя:
Ок = 295-В + 700-д + 109-д = 295-В + 809-д. (3)
Соответственно повысятся затраты энергии на перекатывание комбайна Е/г (оператор 32), а также на изготовление Е'МУПА (оператор 35). Также существенно возрастут затраты энергии на расходуемое топливо комбайном (операторы 40а, 40б) и, конечно, общие совокупные затраты ЕЗ (оператор 42).
В варианте прямого комбайнирования с измельчением соломы изменится потребная мощность двигателя трактора NТр (оператор 30) по сравнению с очесом на корню. По данным профессора Э.В. Жалнина [2], на измельчитель требуется 3,6 кВт/кгс-1. Тогда формула для расчета №Тр примет вид:
ЫеТр = (^136,24 • д2 + 2,05 • 10'5 • еч + 552,271п (д) • 0,95 + 0,00022 • 0Тр • ир •
• Отр • Ур + 0,00022 • Ск • Ур + 0,278 • Кс • 1)р + 3,6д)/ 0,864, ( )
где 0Тр - масса трактора, агрегатирующего комбайн с прицепной сеялкой, кг.
Затраты совокупной энергии на выполнение стационарных работ (оператор 41) зависят от мощности электродвигателей разделительного сепаратора вороха, семеочистительных и сортировальных машин, площади посева ^ убираемых культур, урожайности и отношению массы мякины к массе зерна 5м. В технологическую линию стационара включены также пневмопровод для транспортировки мякины на расстояние до 70 м, который формирует ее в курган высотой 10 м, а также новая универсальная семеочистительная воздушно-решетная машина ВИМ-12/25 для предварительной, основной и окончательной очистки семян до норм, предусмотренных ГОСТом на семена. Установленная мощность двигателей на этой машине - 18,5 кВт, масса - 1060 кг,
производительность на очистке семян - 12 т/ч, продовольственного зерна -25.
1 Г = 1000-7000 (шаг 1000); Ьр = 0,50-1,5 км (шаг 0,5); и = 3-12 т/га (шаг 1); S = 1-9 км (шаг 2); р =160-360 кг/м3 (шаг 50); Уб = 10- 30 м3 (шаг 2); прд = 1-20 (шаг 2); п”к = пк; д«= 0,3-0,6 (шаг 0,1); б = 5-15 % (шаг 5)
2 д = 1-30 кг/с (шаг 1,0)
о 0,928 1п а В = е ’ 4
23
G, = 295^ В + 809^ q
24
GTp = 1000 14,731 ■ ln (q) +10,33 ■ q + 3,75
25
G НП = T
0,19 ln VHn + 8,1б
26
^ НП
G Тр = T
-111 ,5б-10 -9 G 2НП + 0,002 Gнп
27
Gc = 9б7^ В
28
Rc = 2,0914^ln(q) + 3^4q
29 Rc < 4<T)-Ла.
NTp = ^7ЇЗб^Г^^+2,05ЇЇ0:^Т^75^,27Їп^ ■ 0,95 + 0,00022 ■ vp ■ (gTp + GK ) + 0,278 ■ Rc v + 3fiq) / 0,8б4
31 N Тр _ 0| ,- 5.М0 "Ч0” )2 + ».°»2- 0Р НП _ 0,1 - е
32 Еагр _ 0тР + °к + °с + -0,5 - Р - Уб / _ 4080 (1 -¿/100)-В
к 32
от 33
33 Е ^3 II О К 8
34 ЕТП _ 48’7 ' 4 + 1,26( "к + ПНП 1 Ж Ж Жип гг к V к гг НП )
35 т?г 0,056 - (0к + 0С) + 0.°25Gтр
Е МУПА Ж к
36 0,0253 - 0НРП + 0,330НП Е _ р нп ж ЖНП
37 , 3,34 - Он/ - 0,001 + 0НП - 0,001 + 0,5 - УНП - р - 0,001)
Енп _ X 0,001- р -ЖНП х 23 + 0,001- р -УНП /350 X 0,001 - р - Унп
38 (122,1 + 0,5731 Е _ ^посев ттт Ж V к )
к 4
Г
4
ир= > 5,0
39
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года Нет
Нет
Да
Да
40а ЕСт = { [2, 0 • (1 +0,0 1 2 • • (ир-5)]+0,11 2-£}• 4 2,7 40б Е0т=\(20+0012^ £>42,7
41
0,051 0,025- ^ 261,3 0,34
Етп _ 38,83 +--------\------------\------------\------------
дм 600 0,6-¥-и 600- 8м -и
к 42
Рисунок - Блок-схема алгоритма
При разработке математической модели нашей задачи широко использовали метод аппроксимации [6]. Эта группа аппроксимационных задач объединена методами получения математических моделей объектов
\
исследования по экспериментальным данным в виде различных функциональных зависимостей-полиномов, степенных и логарифмических функций и др. Основным математическим аппаратом определения моделей является метод наименьших квадратов. Наибольшее распространение получили полиномы (обыкновенные, или ортогональные, Чебышева и Логгера). С помощью полученной математической модели описывается поведение объекта в области экспериментальных данных. Для решения аппроксимационных задач широко используются идеи и методы прикладной теории случайных функций [7-9].
В третьем арифметическом операторе (см. рисунок) нашей оптимизационной задачи использована степенная функция для расчета ширины В захвата уборочного агрегата:
о 0,928- 1п а
В _е , (5)
где В - ширина захвата агрегата, м; а - пропускная способность молотилки комбайна, кг/с.
Аналогично методом аппроксимации получены также зависимости веса трактора 0Тр, агрегатирующего комбайн с сеялкой прямого посева (оператор 24):
0Тр _ 1000 - .^14,731- 1п (а)+10,33 - а + 3,75, (6)
веса накопителя-перегрузчика Онп (оператор 25) и трактора, который его агрегатирует ОнпТр(оператор 26).
О _ 0,19 1п - УНП + 8,16
0 нп _ е , (7)
О НП _ -111,56- 10~9 - О2НП + 0,002- Онп
0 ТР _ е , (8)
где УНП - вместимость кузова накопителя-перегрузчика зернового вороха,
3
м.
Предложенная математическая модель позволяет обосновать оптимальные параметры машин УТК для перспективной технологии уборки с применением прицепного многофункционального уборочного агрегата.
Список литературы
1. Гейдебрехт И.П. Канадская технология уборки сельскохозяйственных культур // Техника и оборудование для села. 2006. № 4.
2. Жалнин Э.В., Савченко А.Н. Технологии уборки зерновых комбайновыми агрегатами. - М.: Россельхозиздат, 1985.
3. Лаврухин А.А. Технология и комплекс машин для уборки зерновых колосовых культур с обработкой невеяного вороха на стационаре: Автореф. дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. - Краснодар, 1985.
4. Леженкин А. Уборка зерновых методом очесывания // Сельский механизатор. 2004. 11.
5. Агросоюз Славянка, жатка двухбарабанная очесывающего типа // Рекламный проспект, 2011.
6. Доспехов Б. А. Методика полевого жита. - М., 1979.
7. Айвазян С.А. Статистическое исследование зависимостей. (Применение методов корреляции и регрессионных анализов к обработке результатов эксперимента). - М.: «Металлургия», 1968.
8. Вознесенский В. А. Статистические решения в технологических задачах. - Кишинев: «Карте молдовеняскэ», 1969.
9. Хан Г, Шапиро С. Статистические модели в инженерных задачах; Пер. с англ. Е.Г. Коваленко / Под ред. В. Налимова. - М.: «Мир», 1969.
