CC BY
159
УДК: 631.17:633.1
РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ УБОРКИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР И ТИПОРАЗМЕРНОГО РЯДА НАВЕСНЫХ НА КОМБАЙНЫ КЛАССОВ 6-10 КГ/С ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ ОЧЕСЫВАЮЩИХ ЖАТОК
© 2011 г. А.И. Бурьянов, М.А. Бурьянов
Приведены результаты исследований по разработке технологий уборки зерновых культур комбайновым очесом и очесом со сбором и разделением зерно-половистого вороха на стационаре. Приведены также схемы и конструкции технических средств, необходимые для реализации разрабатываемых технологий.
Ключевые слова: технология, очес, ворох, уборочный процесс, эксплуатационные затраты, зерновые культуры.
The investigation results on cereals harvesting technologies working out by comb out combine and comb-out with grain-and-straw cluster and division are given. The diagrams and constructions of the technical means necessary for working out technologies realization are adduced.
Key words: technology, combings, cluster, harvesting process, operating costs, cereals.
Наиболее распространенная, традиционная технология уборки, при которой вся выращенная масса срезается, обмолачивается комбайном со сбором зерна, измельчением и распределением соломы по полю, является в то же время самой энергоемкой с точки зрения загрузки комбайна. Достоинством этой технологии является то, что она реализуется в одном техническом средстве - комбайне. Измельченная соломистая масса остается для дальнейшей ее заделки в почву почвообрабатывающими орудиями. Для эффективной гумификации 1 т заделанной в почву измельченной соломы необходимо вносить до 15 кг действующего вещества азота, что в пересчете на 1 га составит приблизительно 150 кг азотных удобрений. В последние годы ряд передовых хозяйств не заделывает в почву измельченную солому, что, по мнению специалистов этих хозяйств, создает целый ряд преимуществ. Другие же комбайновые технологии уборки зерновых с учетом всех операций, выполняемых при сборе соломы, значительно более энергоемкие и дорогостоящие.
Попытки решить проблему снижения стоимости и энергоемкости уборочных работ зерновых культур делаются как в России, так и в ряде стран зарубежья.
Одно из направлений совершенствования технологии уборки культур - это внедрение очеса.
Так, последние годы все более активно ведутся работы по созданию очесывающих жаток, навешиваемых на комбайны для реализации технологии комбайнового очеса в России, Беларуси, Украине. Налажен серийный выпуск очесывающих одно-барабанных жаток английской фирмой Шелборн, которые находят применение в США и Канаде. В этих странах широко распространены двухпольные севообороты, а климатические условия позволяют выращивать выровненный хлебостой зерновых, что создало предпосылки для внедрения очесывающих жаток, приспособленных к уборке однотипных культур. Поэтому здесь нашли применение однобарабан-ные очесывающие жатки с достаточно широким типоразмером по основному параметру - диаметру барабана от 16 до 32 дюймов [1]. Хозяйство, производящее монокультуру, например, (пшеницу) может приобрести наиболее приспособленную для нее жатку, которая позволит выполнить весь объем работ на уборке этой культуры.
В СКНИИМЭСХ в стадии завершения находятся работы по разработке технологии уборки зерновых комбайновым оче-
сом и созданию трансформируемой навесной жатки, адаптированной к уборке хлебостоя с изменяемыми в широком диапазоне характеристиками. Необходимость создания адаптивной трансформируемой очесывающей жатки диктуется как многообразием природно-климатических условий в зонах возделывания зерновых в России, так и широкой номенклатурой производимых сельхозпредприятиями зерновых культур, которые весьма существенно отличаются как по геометрическим параметрам, так и физико-механическим характеристикам.
Выполненный анализ ранее проведенных исследований показал, что вопросам обоснования параметров и режимов работы очесывающих устройств, а также разработке рекомендаций по их рациональному использованию при различных характеристиках хлебостоя и разнообразных погодно-климатических условиях уделено недостаточное внимание. С целью устранения одной из причин такого поло-
жения является отсутствие математической модели процесса очеса, позволяющей оценить взаимодействие зерновки с очесывающим зубом и определить ее параметры от момента отрыва от колоса до попадания в ложе интегрирующего шнека.
Детальный анализ показал, что процесс очеса включает ряд последовательных взаимосвязанных этапов, описываемых с помощью аналитических конструкций, решение которых при современном уровне развития компьютерной алгебры не представляет особого труда. Используя принятый подход, синтезировали математическую модель процесса очеса зерновых культур однобарабанной очесывающей жаткой, структурная схема которой приведена на рисунке 1.
Результаты решения предыдущей задачи являлись исходными данными для последующей. На рисунках 2-6 в качестве примера представлены зависимости параметров движения зерновки после ее отрыва от колоса.
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ОЧЕСА ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР
-ГУ —
МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ОТДЕЛЕНИЯ ЗЕРНА ОТ КОЛОСА
МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ 3-ЕРНА ПО ОЧЕСЫВАЮЩЕМУ ЗУБУ С УЧЕТОМ НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ, ПОЛУЧЕННОЙ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ЗЕРНА ПОСЛЕ УДАРА
О
МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ЗЕРНОВКИ ПОСЛЕ СХОДА С ЗУБА, ПРИ РАСПОЛОЖЕНИИ НИЖНЕЙ КРОМКИ НОЖУXА ВЫШЕ ТОЧКИ СХОДА О
МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ЗЕРНОВКИ В КАНАЛЕ ПОСТОЯННОЙ ШИРИНЫ
о
МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ЗЕРНОВКИ Б РАСШИРЯЮЩЕМСЯ КАНАЛЕ
Рис. 1. Укрупненная структурная схема математической модели процесса очеса зерновых культур однобарабанной очесывающей жаткой
Рис. 2. Зависимости нормальной составляющей начальной скорости зерновки ¥п2 от угла начала очеса Ь и коэффициента восстановления зерновки K
Рис. 3. Зависимости тангенциальной составляющей начальной скорости зерновки от угла начала очеса и коэффициента трения /
Рис. 4. Зависимость длины пути, проходимого зерновкой по зубу (фазовый портрет), от относительной скорости Vr и начальной скорости Ух2
Рис. 6. Проекции траектории зерновки после схода с зуба от продолжительности движения в канале
I у, 5- 3
а м
3
ш.
ш
5С
ООО
О 26
0.52
Угол наклона зуба Ро. рал
VI = 3.00 м с
1 -Ро- 0.00 рад
2 - Ро = 0,26 рад
3 - Ро = 0,52 рад
4 -Ро = 0,79 рад
0.79
Рис. 5. Зависимости угла схода зерновки с зуба от его угла наклона при Ут2.= 3 м/с для различных углов начала очеса
01 эя
-за -95
\
) 9.011 01Ш 0 1 № СО?
Полученные зависимости и закономерности позволили выявить причины, приводящие к повышенным потерям зерна, и определить пути их устранения.
Так, наши исследования показали, что при выровненном хлебостое однобарабан-ная жатка обеспечивает хорошее качество уборки, а при полеглом допускает повышенные потери зерна. Двухбарабанная жатка, благодаря наличию суммарного воздушного потока, обеспечивает лучший подъем и транспортирование зерна, но значительно тяжелее однобарабанной, что усложняет ее агрегатирование с комбайнами меньших классов. Устранить сложившееся противоречие предложено путем создания очесывающей жатки, трансформи-
руемой из двухбарабанной в однобарабан-ную.
Конструктивно-компоновочная схема жатки защищена тремя патентами РФ (№ 2340154; № 2373681; № 2363138). Четыре заявки на способ и средства для уборки зерновых комбайновым очесом находятся на рассмотрении в ФИПСе. Очесывающий модуль в зависимости от условий работы снабжается двумя сменными адаптерами: передним кожухом для работы в режиме однобарабанной жатки или кожухом с расположенным в нем передним барабаном для работы в режиме двухбара-банной. Схема трансформации жатки из двухбарабанной в однобарабанную представлена на рисунке 7.
Рис. 7. Схема трансформации очесывающей жатки в одно- и двухбарабанный варианты: 1 - основной модуль жатки; 2 - сменный адаптер для однобарабанного варианта; 3 - сменный адаптер для двухбарабанного варианта
На рисунке 8 представлены комбайны с одно- и двухбарабанной жатками. В зависимости от выбранной технологии обработки оставшегося очесанного стеблестоя жатка может комплектоваться измельчаю-
щим устройством, выполненным в виде двух и более установленных один над другим режущих аппаратов (Положительное решение по заявке № 2010105096) (рис. 9).
б
Рис. 8. Комбайны:
а - «Дон-1500Б»; б - New Holland TC5080, оборудованный двух- и однобарабанной
очесывающими жатками
Рис. 9. Механизм скашивания растительных остатков после очеса: 1 - жатка; 2 - наклонная камера; 3 - рама измельчителя; 4 - нож верхний; 5 - нож нижний; 6 - тяга регулируемая; 7 - гидроцилиндр; 8 - башмак опорный; 9 - комбайн
43
1
2
3
а
Такое устройство в 3-4 раза менее энергоемкое, чем роторные измельчители. При навеске на комбайны различных марок предусмотрено переходное устройство типа проставки, устанавливаемой на наклонной камере комбайнов семейства «Дон». В конструкции жатки предусмотрен полуавтоматический механизм копирования по высоте колосьев растений. Оператор с помощью маркера контролирует и гидравликой поддерживает необходимое по высоте положение корпуса жатки, а опоры автоматически обеспечивают заданный режим продольного и поперечного копирования. Опытные образцы жаток прошли хозяйственную проверку в СХП Пензенской области. Результаты проверки показали, что производительность комбайнов увеличивается в 1,8-2 раза, расход топлива снижается на 40%.
Вид поля после уборки очесом представлен на рисунке 10 а. В КФХ «Лесное»
Вадинского района Пензенской области уборку зерновых очесом выполняют жатками ОЗОН-4 с комбайнами СК-5 «Нива» уже в течение пяти лет. Несмотря на недостатки в конструкции жаток ОЗОН-4, эффективность от их применения достаточно высокая. Обработку оставшегося после очеса стеблестоя ведут тракторными агрегатами с дисковыми боронами в два прохода. Вид поля после такой обработки показан на рисунке 10 б. Применение этой технологии в данном хозяйстве не вызывает никаких особых проблем, о которых часто говорят специалисты, не имеющие опыта в применении технологии уборки зерновых комбайновым очесом.
Другой зарубежный (США, Канада) опыт по обработке очесанного стеблестоя состоит в том, что стерня не обрабатывается и посев по ней выполняется стерневыми сеялками.
а ' у}' 5
¡ж >*»
Рис. 10. Способы обработки стерни после очеса: а - стерня после прохода комбайна; б - поле после уборки очесом; в - прямой посев по полю, убранному очесом
Опыты, проведенные в исследовательском центре [2] США, показали, что этот прием обеспечивает прибавку будущего урожая до 5 ц/га за счет сохранения дополнительной влаги. Вид посевов, выполненных по стерне, показан на рисунке 10 в [2]. В последние годы в хозяйствах РФ, применяющих технологию уборки очесом, для ускоренной гумификации растительных остатков используют биопрепараты отечественного производства «Москва- 1М» и «Байкал- 1М». Таким образом, широкое внедрение технологии комбайнового очеса может быть реали-
зовано после завершения работ по созданию трансформируемой очесывающей жатки, адаптированной к многообразию условий уборки зерновых в России, налаживанию производства стерневых сеялок, обеспечивающих высокое качество посева семян по стерне, а также подготовки рекомендации по применению предлагаемой технологии с учетом зональных условий.
Дальнейшее развитие вышеобозна-ченного направления - это разработка и внедрение технологии уборки зерновых очесом со сбором и разделением невеянно-
го вороха на стационаре. Попытка получить одновременно со сбором зерна достаточно ценный кормовой продукт - полову, по кормовым качествам соответствующий сену среднего качества, делалась рядом организаций неоднократно. В СССР в ряде краев и областей сбор половы осуществляли в широких масштабах при реализации комбайнового обмолота. При этом организовывали две транспортные линии: перевозки зерна, как правило, автомобилями, перевозки половы - тракторными поездами. Полова имеет весьма низкую объемную массу (0,015-0,025 т/м ), что делает её транспортировку неэффективной. При комбайновом обмолоте всего скашиваемого стеблестоя со сбором зернополовистой смеси получить её приемлемые для транспортировки весовые характеристики не удавалось из-за высокого содержания в ней соломистых фракций. Эти фракции образовывались в результате перетирания стеблей растений при их протаскивании в зазоре между барабаном и декой.
Между тем, если собирать полову пшеницы, то ее сбор с 1 га будет составлять примерно 0,7-0,9 т/га, что позволит сократить посевы трав на сено в подразделении площадью пашни 3000 га с традиционным севооборотом на 200-300 га и занять их под высокорентабельные культуры. В то же время, как показали наши теоретические исследования [3], получение зерно-поло-вистого вороха с объемной массой, обеспечивающей транспортировку ее автомобилями с коэффициентом использования грузоподъемности близким к единице, обеспечит высокую эффективность предлагаемой технологии.
Проведенные исследования позволили разработать новый способ уборки зерновых очесом со сбором и разделением невеяного вороха на стационаре (патент РФ № 2378820).
Возможная схема реализации предложенной технологии приведена на рисунке 11. Основное достоинство предлагаемой технологии заключается в том, что она может быть реализована с минимальным объемом разработки принципиально новых технических средств. Так, полевая машина, основой которой является очесывающая
жатка с роторным домолачивающим устройством и загущенной декой, может быть навешена на раму прицепного адаптера либо на навеску МЭС. Конструктивная схема полевой машины и предлагаемые параметры позволят получить ворох объемной массой от 0,22 т/м3, что делает возможным ее транспортировку автомобилями, снабженными съемным оборудованием, разработанным для перевозки сенажа и силоса. В этом оборудовании сетчатые поверхности необходимо зашить листовой сталью и обеспечить уплотнения, исключающие потери зерна. Как вариант в кузове, в верхней части на направляющих предложено монтировать выталкивающую рамку с гидроприводом для ее перемещения от кабины к заднему борту. Назначение рамки - обеспечить раздельную выгрузку верхнего слоя половы, в котором зерно сегрегировало за счет виброколебаний кузова.
Стационарная часть может быть выполнена из серийных блоков очистки высокопроизводительных комбайнов, к которой должны быть смонтированы приемный бункер и питатель. Зерно после разделителя вороха предлагается направлять в ЗАВ, а полову - пневмотранспортерами в поло-вохранилища.
Предлагаемая технология позволяет снизить расход углеводородного топлива, так как часть операций переносится на стационар. Применение нулевой обработки почвы и прямого посева по очесанному стеблестою, как и при комбайновом очесе, позволит как сократить расход, так и резко снизить действие ветровой и водной эрозии почвы.
Кроме перечисленных выше преимуществ, применение технологии уборки зерновых очесом позволяет сократить потери осыпанием зерна за счет более ранней уборки на 3-4 дня до начала полной спелости и ее окончания через 4 дня после начала стадии полной спелости.
При этом, как видно из рисунка 6, достигаются более высокие показатели качества зерна, такие как содержание белка, клейковины, сырого протеина.
Увеличение этих показателей позволяет реализовать зерно по более высоким закупочным ценам.
Ш*': ндеШя _ _
ПУМА- 4 с домолачнваюшим ГАЗ-САЗ-3507 У^,,-18м} ротором
ЗАВ 40
Г
Уборка
невеяного
вороха
Разделение вороха на зерно н полову
^А* »г 1 -
№В-С|
МЭС с ротором и очёсывающей Т-150К-ПТС-40 Половохранилише
жатыс>й
Рис. 11. Схема технологии уборки зерновых способом очеса со сбором и разделением невеянного вороха на стационаре (патент РФ № 2378820)
Приведенные данные получены пу- ных учеными агрономами и агробиологами тем обобщения исследований, выполнен- [4, 5], и представлены на рисунке 12.
Рис. 12. Изменение показателей качества зерна от степени созревания при разных способах уборки
В таблице 1 приведены данные технико-экономической оценки выполнения всего объема механизированных работ ма-шинотракторного парка до и после внедрения комбайнового очеса, в хозяйстве рас-тениеводческо-животноводческого направления площадью пашни 9300 га.
В базовом варианте уборка зерновых культур выполнялась по традиционной технологии прямым комбайнированием.
Все комбайны оснащены жатками сплошного среза. МТП хозяйства выполнял весь перечень операций, предусмотренный технологией возделывания сельскохозяйственных культур.
В предлагаемом варианте очесом убирали озимую пшеницу. Уборку ячменя выполняли по традиционной технологии, так как ячменная солома используется в качестве грубого корма.
Таблица 1
Экономическая эффективность внедрения уборки зерновых колосовых культур комбайновым очесом в СХП растениеводческо-животноводческого направления
площадью пашни 9300 га
Наименование показателей База Уборка очесом Снижение в % от базы
Эксплуатационные издержки, тыс. руб. 46216 41104 11,1
Капитальные вложения, тыс. руб. 211713 171202 19,2
Затраты труда, чел.час 37679 32773 13,1
Количество механизаторов, чел. 35 27 29
Количество комбайнов «Дон-1500», шт. 28 19 32,2
Как видно из приведенных данных, применение комбайнового очеса позволяет снизить эксплуатационные затраты - на 11,1%, капиталовложения на 19,2%, количество механизаторов - на 29%, а число комбайнов - на 32,2%. Из 19 комбайнов 12 работали на уборке пшеницы с очесывающими жатками, на приобретение которых израсходовано 7,8 млн рублей. Сумма средств, полученная от реализации 9 комбайнов по минимальной остаточной стоимости и от экономии эксплуатационных издержек - 14,7 млн рублей. Следовательно, внедрение комбайнового очеса в хозяйстве окупится уже в первый год.
Выводы
Проведенные в институте теоретические и экспериментальные исследования показали, что разрабатываемые технологии уборки зерновых культур комбайновым очесом и очесом со сбором и разделением вороха на стационаре позволяют при их выполнении снизить затраты труда в 1,5-2 раза, до 40% расход ГСМ, эксплуатационные расходы и капитальные вложения.
Внедрение новых технологий позволит сократить суммарные потери зерна при одновременном повышении его качества, а исключение операций по обработке очесанных стеблей растений с использованием прямого посева стерневыми сеялками -обеспечить прирост будущего урожая на 35 ц/га при резком снижении воздействия на почву ветровой и водной эрозии. Предла-
гаемые технологии и технические средства для их реализации, несмотря на кажущуюся простоту, обеспечат высокую эффективность только при строгом соблюдении регламента выполнения работ, правильной настройке и регулировке машин и их рабочих органов в соответствии с условиями работ, морфологическими и физико-механическими характеристиками убираемых культур. Для достижения поставленной цели необходимо организовать серийное производство недостающих машин и оборудования, а также разработать и довести до сельхозпредприятий рекомендации по применению предлагаемых технологий и технических средств с учетом зональных условий.
Литература
1. Очесывающая жатка SVS. www Russian-Shelburne. ru.
2. Evaluating the Impacts of Stripper Stubble on Corn Yields in NW Kansas. www. Ksagreseaarch. com.
3. Бурьянов, А.И. Результаты технико-экономической оценки комплексов машин для уборки зерновых культур с разделением вороха на стационаре /А.И. Бурьянов, И.С. Переварюха // Исследования и разработка современных технологий и средств механизации в полеводстве Юга России: Сб. научных трудов / ВНИПТИМЭСХ. - Зерноград, 2007. -С.167-174.
4. Коданев, И.М. Повышение каче- 5. Губанов, Я.В. Озимая пшеница
ства зерна /И.М. Коданев. - Москва: Колос, /Я.В. Губанов, Н.Н. Иванов. - Москва: 1976. - С. 309. ВО Агропромиздат, 1988. - С. 289.
Сведения об авторах Бурьянов Алексей Иванович - д-р техн. наук, профессор, заведующий отделом механизации уборочных работ Северо-Кавказского научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии (г. Зерноград). Тел. 8(86359)43-0-94.
Бурьянов Михаил Алексеевич - научный сотрудник отдела механизации уборочных работ Северо-Кавказского научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии (г. Зерноград). Тел. 8(86359)43-0-94.
Information about the authors Buriyanov Alexei Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, manager of the harvesting works mechanization department, North Caucasian Scientific Research Institute of the Mechanization and Electrification of Agriculture (Zernograd). Phone: 8(86359)43-0-94.
Buriyanov Mkhail Alexeevich - research worker of the harvesting works mechanization department, North Caucasian Scientific Research Institute of Mechanization and Electrification of Agriculture (Zernograd). Phone: 8(86359)43-0-94.
УДК 631.634.2:004
К ВОПРОСУ ОБ ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ЗЕРНОУБОРОЧНЫМ КОМБАЙНОМ
© 2011 г. В.П. Димитров, Л.В. Борисова
Разработка моделей позволит решить задачи настройки и корректировки технологических систем комбайна, что позволит снизить время на технологические простои в 2-5 раза по сравнению с традиционными методами и сократить потери урожая.
Ключевые слова: зерноуборочный комбайн, система, комбайн, потери урожая, технологические простои.
Working up of models let's to solve the tuning and combine technological systems correction problems. It lets to lower technological idle time in 2-5 times in comparison with the tradition methods and to reduce harvest losses.
Key words: harvest combine, system, combine, harvesting losses, technological idle time.
В настоящее время признано, что важнейшей составляющей стратегии модернизации технической политики в АПК является разработка и внедрение машин нового, интеллектуального типа [1]. В полной мере это относится к предметной области «уборка сельскохозяйственных культур». Эффективность использования зерноуборочного комбайна, а отсюда и эффективность уборочных работ зависит от
успешного решения задачи управления технологическим процессом, осуществляемым комбайном [2-4].
Поиск оптимальных решений определяется спецификой рассматриваемой предметной области. Внешние факторы уборки, показатели качества работы, параметры технического состояния и некоторые регулируемые параметры, такие как состояние стеблестоя, влажность зерна и стеблестоя,
