CC BY
190
УДК 631.631.22
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗЕРНОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА
Тарасенко Борис Фёдорович к.т.н., доцент
Цыбулевский Валерий Викторович к.т.н., доцент
ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» Краснодар, Россия
Представлены: анализ зерноуборочных комбайнов, усовершенствованный комбайн, содержащий новый режущий аппарат в жатке и новый роторный молотильно-сепарирующий механизм с щадящим принципом обмолота, а также эксперименты по оптимизации молотильно-сепарационного аппарата
Ключевые слова: ЗЕРНОУБОРОЧНЫЕ КОМБАЙНЫ, РЕЖУЩИЙ АППАРАТ, РОТОРНЫЙ МОЛОТИЛЬНО-СЕПАРИРУЮЩИЙ МЕХАНИЗМ, ЩАДЯЩИЙ ПРИНЦИП, ЭКСПЕРИМЕНТЫ, ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
В настоящий момент актуально ресурсосбережение, так как ни для кого не является секретом, что ресурсосберегающая стратегия для сельского хозяйства имеет жизненное значение как основа обеспечения конкурентоспособности аграрной отрасли экономики [1]. Актуальна также экологическая безопасность разрабатываемой технологии. В ней учтены давление на почву ходовых аппаратов машин, отсутствие потерь ГСМ и рабочих жидкостей, выброс вредных газов энергетическим модулем, уровень шума, запыленность и вредные выбросы от машин, вибрация на рабочем месте оператора.
Науке и практике известны зерноуборочные комбайны типа Дон, Енисей, Claas, Джон Дир и др. применяемые в России. Комбайны включают: [2] жатку с сегментным режущим аппаратом,
характеризующимся возвратно поступательным движением, наклонный транспортер, молотильный барабан, установленный поперечно, и клавишные сепараторы соломы.
UDC 631.631.22
PERFECTION OF GRAIN COMBINE
Tarasenko Boris Fedorovich Cand.Tech.Sci., associate professor
Tsybyulevskiy Valeriy Viktorovich Cand.Tech.Sci., associate professor Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia
In the article, we present: the analysis of grain combines, a perfect grain combine with new cutter bar of header and new rotation separator with a gentle principle of threshing, the experiments for definition of the optimal parameters of the new separator
Keywords: GRAIN COMBINES, CUTTERBARROTATION SEPARATOR, GENTLE PRINCIPLE OF THRESHING, EXPERIMENTS, OPTIMAL PARAMETERS
Недостатками данных устройств являются низкая эксплуатационная надежность из за сложной кинематики привода и высокой вибрации, а также высокая энергоемкость процесса уборки (установленная мощность 300-500 л.с.).
В ходе проводимых исследований и, согласно патентным исследованиям, предлагается новая разработка комбайна, у которого усовершенствованы режущий аппарат жатки и молотильно-сепарационный аппарат.
Классическая жатка [2] зерноуборочного комбайна включает корпус, состоящий из каркаса с вертикальными боковинами и днищем, на котором расположен режущий аппарат, содержащий приводной механизм и устройство для срезания стеблей, выполненное в виде режущих и противорежущих элементов.
Недостатками известной жатки являются высокие вибрации, большие затраты энергии и высокая металлоемкость конструкции.
Известен также кукурузный комбайн [4]. Он включает: русла жатки с наклонно установленными пачаткоотделяющими вальцами и транспортирующими устройствами для початков, режущий аппарат и систему для транспортирования стеблей к измельчителю с силосопроводом, а также устройство для удаления верхней части стеблей, выполненное в виде срезающего аппарата, расположенного в корпусе, отличающегося тем, что срезающий верхнюю часть растений аппарат выполнен в виде шнека, помещенного в незамкнутый сверху корпус, имеющий в нижней части вырезы с противорежущими пластинами для хода стеблей, а шнек соединен корпусом с измельчителем стеблей, который устраняет вышеуказанные недостатки.
Однако, известное устройство не предназначено для уборки зерновых колосовых.
Известен также прямоточный зерноуборочный комбайн [4], включающий жатку, наклонную камеру и молотильно-сепарационный аппарат, содержащий цилиндрический кожух со спиральными направляющими ребрами на внутренней поверхности, нижняя часть которого снабжена подбарабаньем в молотильной зоне и установленным внутри кожуха ротором с прямолинейными, параллельными продольной оси ротора рифлеными бичами, снабженным крыльчаткой. Ротор выполнен в виде полого цилиндра, на поверхности которого в молотильной зоне закреплены спиральные рифленые бичи, соединенные с прямолинейными рифлеными бичами, закрепленные в сепарационной зоне, при этом прямолинейные рифленые бичи передней частью входят молотильную зону, а прямолинейные и спиральные рифленые бичи размещены на поверхности ротора на расстоянии 1200 по дуге. Каждый из спиральных рифленых бичей охватывает поверхность ротора по дуге 1200, и передняя часть ротора выполнена в виде усеченного конуса, обращенного большим основанием к его выходному концу.
Недостатками этого комбайна являются ограниченные технологические возможности из-за забивания молотильного и сепарационного аппарата стебельчатой массой сельскохозяйственной культуры, сложность изготовления и эксплуатации.
Инновационная составляющая проекта, новизна заявленного предложения заключаются в том, что за счет особых конструктивных особенностей устройства срезание стеблей осуществляется в результате вращательного движения шнека и увеличения длины резания. За счет конструктивных особенностей барабанов обеспечивается высокое качество не только обмолота, но многократное отделение зерна от стебельчатой массы, от половы, от крупного и мелкого сора за счет увеличения частоты и снижения энергоемкости взаимодействия стебельчатой массы, колосков не только между собой, но и со стенками винтовых барабанов. Что
повышает интенсивность смешивания, повышает производительность и расширяет технологические возможности комбайна.
Новизна предложения заключается также в расширении эксплуатационных возможностей за счет использования трех коаксиально смонтированных барабанов и увеличения за счет этого площадей просеивания зерна при сохранении общих габаритов комбайна. Актуальным является совмещение молотильной зоны и сепарационных зон в одном молотильно-сепарационном аппарате.
Новизна предложения заключается также в том, что внутри наружного винтового барабана со сложной внутренней поверхностью в виде сочетания двух криволинейных поверхностей в каждой точки возникают разнонаправленные составляющие движения, что повышает интенсивность движения зерен и мелкого сора в зоне между средним барабаном и наружным винтовым барабаном, обеспечивает качественное и интенсивное отделение мелкого сора отчистка зерен и вывод мелкого сора движущимся от воздуходувки потоком воздуха.
Цель предложения - это совмещение в одном молотильно-сепарационном аппарате разделение стебельчатой массы, колосков зерен, мелкого и крупного сора не только по размерам, но и по весу, в том числе разработка жатки зерноуборочного комбайна, включающей корпус из каркаса с вертикальными боковинами и днищем, на котором расположен режущий аппарат, содержащий приводной механизм и устройство для срезания стеблей, выполненное в виде режущих и противорежущих элементов. В качестве режущего элемента использован шнек, ребра которого имеют заточку, а в качестве противорежущего элемента - жестко установленный на днище корпуса и над всем шнеком кожух, выполненный в виде дугообразной плоскости, имеющий, с одной стороны прорези в виде сегментов, расположенных по винтовой линии. Одна из сторон прорези направлена встречно движению шнека и имеет заточку, при этом длина
прорези равна % длины поперечного сечения кожуха, имеющего делители и ребра жесткости.
На рисунке 1 представлена схема нового устройства.
Устройство работает следующим образом. При уборке зерновых сельскохозяйственных культур комбайн, перемещаясь по полю
посредством делителей 12, распределяет стебли с колосьями на части, и направляет в прорези 10 кожуха 9. Далее стебли с колосьями с помощью шнека 7, используемого в качестве режущего элемента, подводятся к противорежущим элементам 8, а именно - к одной из сторон прорези 10, и их срезают. Мотовило 15, вращаясь, сталкивает срезанную массу стеблей на днище 4 и далее - в комбайн 14 по известному принципу.
Прямоточный зерноуборочный комбайн работает следующим образом. Скошенная жаткой 7 зерносоломистая масса транспортером наклонной камеры 8 подается известными устройствами (на чертежах не показаны) внутрь вращающегося молотильно-сепарационного аппарата 10, а именно - через приемное винтовое приспособление 20, которое своими пятью винтовыми канавками и пятью вставками 102, образующими крыльчатку, передает стебельчатую массу во внутреннюю полость внутреннего винтового перфорированного барабана 18.
а
б
г
г
А 1 13
д
Рисунок 1. Схема усовершенствованного комбайна: а - схема комбайна; б - схема жатки с новым режущим аппаратом; в - схема режущего аппарата (вид сверху); г - схема режущего аппарата (сечение А-А); д - схема молотильно-сепарационного аппарата
При вращении винтового приемного устройства 20 и внутреннего винтового перфорированного барабана 18 стебельчатая масса совершает
сложное пространственное движение по винтовым траекториям и с помощью винтовых линий, винтовых поверхностей движется вдоль горизонтальной оси вращения внутреннего винтового барабана 18. Благодаря боковым стенкам двоякой кривизны барабана приемного приспособления 20 и внутреннего барабана 18, снабженного пятью винтовыми канавками, векторы скорости перемещений стебельчатой массы и колосков изменяются, что способствует не только интенсивности отделения зерна из колосков, но и расширению технологических возможностей. Солома и другие отходы удаляются за пределы молотильно-сепарационного аппарата 10 через выходное отверстие внутреннего винтового барабана 18 со стороны разгрузки. При этом зерно и колоски выводятся за пределы внутреннего винтового барабана 18 и попадают во внутреннюю полость среднего многосекционного перфорированного барабана 17. Интенсивность зерна и колосков повышается разнонаклонными ситами среднего барабана 17, которые интенсифицируют процесс смешивания зерна и колосков друг с другом и отделение из колосков зерна. Зерно и мелкие примеси отделяются от половы и выводятся во внутреннюю полость наружного бочкообразного барабана 16, где они за счет естественного уклона стенок бочкообразного барабана 16 перемещаются в центральную часть бочкообразного барабана 16, где расположены по длине «В» перфорированные отверстия, через которые чистое зерно поступает на шнек 12 и далее транспортером 9 подается в бункер (на чертежах не показан). Воздуходувка 11 подает поток воздуха внутрь торцевых отверстий со стороны загрузки в полость «Б» между средним барабаном 17 и наружным барабаном 16 и в полость «А» между внутренним барабаном 18 и средним барабаном 17 для отделения мякины и сора от зерна и удаления их за пределы винтового молотильно-сепарационного аппарата 10 посредством торцевых отверстий со стороны
выгрузки. Солома и другие отходы удаляются через торцевое отверстие со стороны выгрузки винтового перфорированного барабана 18.
Предлагаемое устройство исключает вибрацию от возвратно поступательных движений, в результате упрощается привод, снижается металлоемкость.
Технико-экономические преимущества заключаются также в расширении эксплуатационных возможностей за счет использования трех коаксиально смонтированных барабанов и увеличения за счет этого площадей просеивания зерна при сохранении общих габаритов комбайна.
Технико-экономические преимущества заключаются в совмещении молотильной и сепарационных зон в одном молотильно-сепарационном аппарате.
Технико-экономические преимущества возникают за счет образования в наружном винтовом барабане сложной внутренней поверхности в виде сочетания двух криволинейных поверхностей, в каждой точке которых возникают разнонаправленные составляющие движения, что повышает интенсивность движения зерен и мелкого сора в зоне между средним барабаном 17 и наружным бочкообразным барабаном 16. Это позволяет потоком воздуха от воздуходувки 11 повысить качество отделения от чистых зерен мелкого сора и увеличивает технологические возможности комбайна.
Технико-экономические преимущества заключаются в совмещении в одном молотильно-сепарационном аппарате разделения стебельчатой массы, колосков, зерен, мелкого и крупного сора не только по размерам, но и по весу.
Исследования по оптимизации. Для оптимизации параметров рабочего органа нами проведены полевые опыты для определения зависимости угла наклона от скорости перемещения сыпучих частиц в винтовом грохоте. Полевые опыты проводились с использованием методов
планирования экспериментов по симметричному композиционному плану типа Вк (звёздные точки равны ±1) согласно разработанным нами программам для ЭВМ в системе МаШсаё.
Уровни факторов (табл. 1) выбраны «стандартным образом», т.е. так, чтобы их оптимальные значения попадали в центр варьирования.
Таблица 1 - Факторы, интервалы и уровни варьирования
Переменные факторы Кодированные обозначения Х, Интервал варьирования А, Уровни факторов
+1 0 -1
Угол наклона винтового грохота а, град. х1 4 10 6 2
скорость перемещения сыпучих частиц V, мм/с х2 20 90 70 50
Примечание: х1 - кодированные обозначения угла наклона а и оборотов винтового грохота, имеющих интервал варьирования от 10...6...2 град., а за середину интервала принят угол наклона а = -6 град.; х2 - кодированные обозначения скорости перемещения сыпучих частиц от Юшш = 50 об./мин до Юшах=90 об./мин, а за середину интервала принято ю = 70 об./мин.
Перевод действительных значений в кодированные значения осуществлён нами согласно формуле
т _ X, + X , 0
x, —
А ‘ , (1)
где Х, - значение действительного ,-го фактора; Х,о - значение ,-го фактора в середине интервала; А, - интервал варьирования.
В таблице 2 представлена матрица планирования двухфакторного эксперимента по программе МНК типа Вк, который проведен рандомизировано во времени, то есть в случайной последовательности для исключения влияния систематических ошибок, вызванных внешними факторами (например, неточный контроль и т.д.).
В результате получены:
- уравнение регрессии в каноническом виде
2 2
У(х)=103,439+59,815х1+21,111х2+10,972х1х2+9,788х 1 +42,222х2 , (2)
- уравнение для анализа факторов после канонического преобразования
22
У8 =10,361х 1+42,795х 2, (3)
где У3 - оптимальная величина тягового сопротивления рабочего органа,
Н.
Таблица 2 - Матрица планирования эксперимента по определению угла наклона и оборотов винтового грохота а, град, скорости перемещения _______________________сыпучих частиц V, мм\с_______________________
п/№ Натуральные значения факторов Отклик, Н
а, град ю об./мин V мм/с
1 2 3 4
1 2 50 24
1 4 50 39
2 6 50 59
3 8 50 80
4 10 50 112
5 2 70 26
6 4 70 45
7 6 70 73
8 8 70 104
9 10 70 142
10 2 90 6
11 4 90 14
12 6 90 38
13 8 90 44
14 10 90 60
На рисунке 2 показаны поверхности зависимости угла наклона от скорости перемещения сыпучих частиц в винтовом грохоте.
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 б 8 10 б
Рисунок 2. Поверхности зависимости угла наклона от скорости перемещения сыпучих частиц в винтовом грохоте: поверхность отклика (а) и двухмерное сечение (б)
Исследования по оптимизации показали, что Vоп = 72,5 об./мин, поэтому для конструирования принимаем Vоп = 72-74 об./мин; аоп =18°, аоп = 16-20°.
Экономический эффект, в сравнении с комбайном Дон 1500 Б (рис. 3), следующий.
Рисунок 3. Комбайн Дон 1500 Б
1. Установленная мощность нового (усовершенствованного) комбайна снизится на 30 %.
2. Производительность увеличится в 1,32 раза.
3. Потери зерна от дробления снизятся на 80 %.
4. Металлоёмкость снизится на 20 %.
5. Условия работы комбайнера за счёт снижения высокочастотной вибрации, шума станут более комфортными.
6. Расход топлива уменьшится на 25-30 %.
Инновационная составляющая проекта заключается в новом техническом средстве для уборки зерновых колосовых, содержащем новый режущий аппарат в жатке и новый роторный молотильно-сепарирующий механизм с щадящим принципом обмолота.
Экономическая целесообразность (проектная эффективность) -упрощение конструкции и снижение капитальных затрат, а также снижение затрат энергии на 30-35 % и улучшение условий труда.
Способы привлечения инвестиций из негосударственной сферы для реализации проекта - это лицензионные договоры с
машиностроительными предприятиями и договоры с сельхозпроизводителями.
Маркетинг (положение на рынке). В настоящее время рынок достаточно насыщен средствами для уборки зерновых колосовых культур. Для увеличения доли предлагаемой продукции на рынке необходима реклама с показателями преимущества «Усовершенствованного
зерноуборочного комбайна» при уборке.
Финансовый план на выполнение НИОКР и проектных работ, являющихся основным инвестиционным этапом, требует финансирования денежных средств в сумме 2,5 млн руб. Срок окупаемости составляет 0,1 года.
Выводы. Предлагаемый проект разработки «Усовершенствованного зерноуборочного комбайна» имеет высокую социальную значимость, так как
- металлоёмкость снизится на 20 %;
- установленная мощность нового (усовершенствованного)
зерноуборочного комбайна снизится на 30 %;
- производительность увеличится в 1,32 раза;
- срок окупаемости составит 0,1 года;
- потери зерна от дробления снизятся на 80 %;
- расход топлива уменьшится на 25-30 %;
- условия работы комбайнера станут более комфортными.
Список литературы
1. Плешаков В.Н. Обоснование технического уровня и направлений развития
сельскохозяйственной техники: Автореф. дисс. на соискание учёной степени
доктора технических наук. - Краснодар: КубГАУ. 2001. 48 с.
2. Карпенко А.Н., Зеленев А.А., Халамский В.М. Сельскохозяйственные машины.
- М.: Колос, 1976. - 512 с.
3. Джонсон Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке.
Методы планирования эксперимента / Н. Джонсон, Ф. Лион; пер. с англ.; под
ред. Э.К. Лецкого, Е.В. Марковой. - М.: Мир, 1981. - 371 с.
4. Патент РФ №2362293, МПК А01Д45/2, Бюл. №21. Кукурузоуборочный комбайн.
