CC BY
67
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.354.2
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ЗЕРНОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА
А.И. Ряднов, доктор сельскохозяйственных наук, профессор С.В. Тронев, кандидат технических наук, доцент И.П. Скворцов, кандидат технических наук, доцент
Волгоградский государственный аграрный университет
Составлены графы технологических процессов работы отечественного зерноуборочного комбайна на уборке зерновых культур без учета и с учетом потерь зерна рабочими органами. Предложено оценивать пропускную способность узла по величине потока зерна по дуге потерь.
Ключевые слова: пропускная способность, рабочие органы, граф, потери зерна.
В процессе работы зерноуборочного комбайна рабочие органы выполняют множество операций: срезание и обмолот хлебной массы, сепарацию и транспортировку зерна и т. д.
Проблемам повышения эффективности уборки и качества работы зерноуборочных комбайнов различных конструкций посвящены многие работы ученых Волгоградского ГАУ [2, 5, 6, 3]. В этих работах рассмотрены теоретические предпосылки повышения эффективности процесса уборки, совершенствованы рабочие органы, система контроля и т. д.
Для исследования качества работы органов зерноуборочного комбайна воспользуемся теорией потоков в сетях [7, 8].
Работу зерноуборочного комбайна в полевых условиях представим как сеть. Для этого составим связанный граф О = (X, Г), а целочисленную неотрицательную функцию ф(и), заданную на множестве Г дуг графа О, представим как поток зерна. При составлении связанного графа О = (X, Г) возможно два варианта оценки работы зерноуборочного комбайна: первый - без учета потерь зерна рабочими органами, второй - с учетом общих потерь зерна.
Для первого варианта составим граф О1 = (X, Г) на примере Дон-1500Б на уборке зерновых культур. Рабочие органы комбайна, осуществляющие транспортировку зерна, назовем вершинами графа N1, а поток зерна, показанный линиями, - дугами А^. Так как направления движения зерна рабочими органами комбайна известны, то рассмотрим ориентированный граф. Зерно в колосе на стебле неубранного участка назовем входом сети и обозначим N5, а зерно в бункере комбайна - выходом и обозначим N1 (рисунок 1).
Каждой вершине поставлена в соответствии его пропускная способность ю; -действительное число, указывающее максимальную величину потока, который можно пропустить через этот узел.
Стебли в процессе движения комбайна по полю захватываются граблинами мотовила N1 (с максимальной величиной потока ю1), срезаются режущим аппаратом N2 (ю2) и затем поступают к шнеку жатки N3 (ю3). Шнек (ю3) спиралями левого и правого направлений подает срезанные стебли к центру жатки. Пальчиковый механизм шнека N4 (ю4) захватывает срезанную массу и направляет ее в окно жатки, из которого масса отбирается битером N (ю5) и передается в наклонную камеру. Далее цепочно-планчатым транспортером N (ю6) хлебная масса подается непосредственно в моло-
тильный аппарат N7 (ш7). Здесь она обмолачивается с выделением большой части зерна и мелких фракций половы через решетчатую деку на транспортную доску N8 (Ю8).
Соломенная фракция, содержащая после обмолота часть зерна, на выходе из молотильного аппарата N (ю7) под острым углом отражается отбойным битером N9 (ш9) на сепаратор вороха - соломотряс N10 (шю). Здесь она разделяется на две фракции: соломы (выводится из молотилки) и зернового вороха (состоит из свободного зерна и мелких соломистых частиц). Вторая фракция подается на конец транспортной доски N (ш8) и вместе с зерновым ворохом, выделенным в молотильном аппарате N7 (ш7), поступает на верхнее N0 (ш11) и нижнее (ш12) решета очистки.
(Ц и) (0,0) № N1
Рисунок 1 - Связанный граф 01 = (X, Г) работы зерноуборочного комбайна без учета потерь зерна рабочими органами
В процессе движения вороха по решетам К11 (ю11) и К12 (ю12) очистки, обдуваемым вентилятором, зерно отделяется от соломистых примесей. Далее оно поступает по скатной доске К13 (ю13) нижнего решетного стана в зерновой шнек К14 (ю14) и транспортируется зерновым элеватором К15 (ю15) в бункер N1.
Необмолоченные колоски с примесью свободного зерна и половы, сходящие в колосовой шнек (ю16) с нижнего решета (ю12) и удлинителя верхнего решета (ю17), перемещаются колосовым шнеком (ю16) и колосовым элеватором (ю18) в домолачивающее устройство (ю19). Здесь обмолачиваются колоски и ворох, после этого подаются в горловину распределительного шнека (ю2о), который равномерно выбрасывает его по ширине молотилки на конец транспортной доски N (ю8) и затем -на верхнее решето N0 (ю11).
Пусть х{| - поток по дуге А^ из узла N1 в узел N1. При этом воздействие на зерно со стороны остальной хлебной массы по дуге А^ будет постоянной. В силу условия сохранения потока в каждом узле величина потока, проходящего через узел N1, равна ; обозначим ее х^ Тогда задача о максимальном потоке с ограничениями на про-
1
пускные способности узлов формулируется следующим образом: максимизировать и при условиях
г о, если) = 8
— I
к
0, если } Ф 8, 1;, о, если ) = 1 Щ > 0, 0 < X] < wi для всех ¡, ]
х = х
Назовем разрезом, разделяющим N8 и N1 в сети с пропускными способностями узлов, множество узлов, удаление которых превращает исходную сеть несвязанную сеть, состоящую из двух или более частей, где узлы N8 и N1 попадают в разные части.
В рассматриваемой сети, изображенной на рисунке 1, разрезы обозначены пунктирными линиями:
(А, а)={л81}, (в, В)={А12}, (Д %{4З}, (А ^МАзЛДЕ, Ё)={А45}, (р, р)^}, (с, с)={л67}, (И11 ш )= {л78, л79}, {HJ ,К] )= {л78, л910},
(нШ,ШШ)={Л78, аЮЛ, (кн,КШ)={Л811, Л2оп}, (кТ, КТ^{^ц, Л^}, К, Ю)={Л811, Л1819}, (кя, КЯ)={Л811, Л1618},
(крр, крр)={Л811, А 716, Л1216
}, {кдр, кдр) = {Л811, Л1117, Л1216}, (тон, тон )={А 112, Л1117, Л2011
}, (тот, ьот )={Л1
112, Л1117, Л1920},
(о, ь^ )={Л1
112, Л1117, Л1819
}, (Т0Я, тоя)={л
112, Л1117, Л1618},
(тРШ, ТрШ)= {Л1112, Л1716, Л2011}, (ТРТ, ТРТ)= {Л1112, Л1716, Л1920}, (тР$, ТР^)= {Л1112, Л1716, Л1819}, (тРЯ, ТРЯ)={А1112, Л1716, Л161_8},
(ЬР,ТР)={Л1112, Л1216}, (/ , П={Атз}, N ^)={Л1314}, (О, 0)={Л1415},
(и, и )={Л^}.
В сети с пропускными способностями узлов справедлива теорема о максимальном потоке и минимальном разрезе: максимальная величина потока из источника N в сток N равна пропускной способности минимального разреза, разделяющего N и N
Для поиска разреза с минимальной пропускной способностью воспользуемся определением: разрез локально минимальный, если его пропускная способность меньше или равна пропускной способности всех соседних разрезов. Следовательно, минимальный разрез является в некотором смысле абсолютно минимальным разрезом. Чтобы разрез был минимальным, необходимо, но не достаточно, чтобы он был локально минимальным. Поэтому для нахождения абсолютного минимума функции, надо сравнить все локальные минимумы.
Разобьем соседние разрезы на локальные зоны с учетом узлов и систем зерноуборочного комбайна:
I зона - жатвенная часть с разрезами (А, а)={А^}, (в, в)= {А12 }, (Д ^)={А2з}, (А Ъ)={АЫ1 (Е, Ё)={А45}, (р, ^)={А56}, (о,0)={А67};
II зона - молотильно-сепарирующая с разрезами (Н1, Н1 )= {А78, А7Р},
(ш, Н)= {А78, А910}, (НН, НН)= {А78, А108}; _
III зона - система очистки с разрезами (КН, КН)={А81 х, А201
(кТ, Кт)= {А8П, А192о}, (К5, К$)= {А8П, А1819}, (кх, КЯ)= Кп, А1бц},
(крр, крр)={Ап, А1 71б, А121б }, (к<Р, кор )
= {А811, А1117, А1216}, (ь<2Н, 1дН )={А1 112, А1117, А2011 }, (ь<т, ь<2т)={А1
112, А1117, А1920},
(ЬОБ, Ь<8 )={А1 112, А1117, А1819 }, (ьоя, ЬОЯ)={А1
112, А1117, А1618},
{ЪРН,ЬРН)= {А1112, А1716, А2011}, (рРТ, РРТ)= {А1112, А1716, А1920},
(РР^, РР$)= {А1112, А1716, А1819}, (РРЯ, РРЯ>) = {А1112, А1716, А1618},
(¿Р, рР)={АП12, А1216}; ^ _
IV зона - транспортировки зерна с разрезами (I , I )={А1213},
(ы, NN4314}, (о, 0)={А1415}, (и, и)= {А15 }.
Пропускную способность ш, узлов и разрезов, входящих в зоны I и IV, можно рассчитать с использование аналитических зависимостей. Для расчета пропускной способности разрезов входящих в зоны II и III не достаточно рассчитать пропускную способность ш, узлов. Дополнительно необходимо методом расстановки пометок найти максимальный поток, а, следовательно, и минимальный разрез.
Для второго варианта составим граф 02 = (X, Г), на примере Дон-1500Б на уборке зерновых культур с учетом общих потерь зерна.
Обозначения рабочих органов комбайна N1 с пропускными способностями ш,, дуги Л]. вход сети N зерно в бункере комбайна N на рисунке 2 взяты их рисунка 1. Зерно в потоке по дугам потерь обозначим П,. Так как при работе комбайна должна быть обеспечена герметизация внутренних узлов, то потери зерна в них исключаются. Поэтому соседние узлы, выполняющие только функцию транспортирования зерна, для упрощения графа 02 = (X, Г) можно объединить в один N1 Дополнительно введем новый выход сети N графа 02 = (X, Г), объединяющий поток зерно в бункере комбайна N и потоки по дугам потерь Ц.
^д»! М2,ш2 М7,со7
Рисунок 2 - Связанный графа 02 = (X, Г) работы зерноуборочного комбайна с учетом потерь зерна рабочими органами
Предположим, что рабочий орган N1 имеет пропускную способность ю; ниже общей подачи зерна в зерноуборочный комбайн. Соответственно в силу условия сохранения потока в каждом узле N1, по дуге потерь П; проходит зерно, выравнивающее этот поток. При этом признаком рабочего органа с низкой пропускную способность ю; будет величина потока зерна по дуге потерь П;. Если пропускная способность ю; рабочего органа N1 выше или равна общей подачи зерна в зерноуборочный комбайн, то по дуге потерь П; проходит нулевой поток. Величину зерна, проведшую по дуге потерь П;, каждого рабочего органа N можно измерить, так как она равна потерям зерна вовремя работы зерноуборочного комбайна [1, 4].
При использовании аналитических зависимостей можно оценить значения пропускных способностей ю; узлов и разрезов только приблизительно, так как учесть влияния всех факторов и их совокупностей очень сложно. В связи с этим предложено оценивать пропускную способность ю; узла величиной потока зерна по дуге потерь П;.
Библиографический список
1. ОСТ 10 8.1-99. Испытания сельскохозяйственной техники. Машины зерноуборочные. Методы оценки функциональных показателей [Текст] / Минсельхозпрод России. - М.: ФГНУ «Росинфорагротех», 2000. - 92 с.
2. Ряднов, А. И. Агротехнические решения проблемы уборки зерновых колосовых культур по комплексному критерию эффективности в условиях недостаточного увлажнения (на примере Нижнего Поволжья) [Текст]: автореф. дис... докт. с.-х. наук/ А. И. Ряднов. - Волгоград: Волгоградская ГСХА, 1995. - 48 с.
3. Скворцов, И. П. Повышение качества работы молотильно-сепарирующего устройства комбайна Дон-1500Б за счет применения системы контроля процесса повторного обмолота [Текст]: автореф. дис... техн. наук/ И. П. Скворцов. - Волгоград: Волгоградская ГСХА, 2005. - 20 с.
4. Способ определения потерь зерна за комбайном [Текст] : пат. №2453101 Российская федерация, МПК A 01 D 41/127, A 01 D 75/00./ А. И. Ряднов, С. В. Тронев, И. П. Скворцов, А. П. Стенковой; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Волгоградская ГСХА. - № 2011101320/13 заявл.: 13.01.2011; опубл.: 20.06.2012, Бюл. №17. - 7 с.: ил.
5. Тронев, С.В. Повышение качества работы зерноуборочных комбайнов при подборе валков за счет совершенствования процесса повторного обмолота (на примере СК-5М-1 «Нива») [Текст]: автореф. дис. техн. наук/ С. В. Тронев. - Волгоград: Волгоградская ГСХА, 2002. - 20 с.
6. Федорова, О. А. Снижение повреждаемости зерна при уборке зерновых культур за счет предварительного обмолота хлебной массы [Текст]: автореф. дис. техн. наук/ О. А. Федорова - Волгоград: Волгоградская ГСХА, 2003. - 20 с.
7. Форд, Л. Р. Потоки в сетях [Текст] / Л. Р. Форд, Д. Р. Фалкерсон; перевод с англ. И. А. Вайнштейна. - М.: Издательство «Мир», 1966. - 276 с. : ил.; - Загл. пер. и корешка: Потоки в сетях. - Библиогр.: с. 266 -272. - Перевод изд.: Flow in networks / L. R. Ford, D.R. Fulkerson. New Jersey, 1962.
8. Ху, Т. Целочисленное программирование и потоки в сетях [Текст] / Т. Ху ; перевод с англ. II. Л. Бузыцкого, Е. В. Левнера, Б. Г. Литвака; под ред. Л. Л. Фридмана. - М.: Издательство «Мир», 1974. - 520 с. : ил.; - Загл. пер. и корешка: Целочисленное программирование и потоки в сетях. - Библиогр.: с. 266 -272. - Перевод изд.: Integer programming and network flows / T. Hu, Massachusetts Menlo Park, 1970.
E-mail: [email protected]
