Технико-экономическое обоснование применения порционной жатки на уборке зерновых культур

Вестник аграрной науки, 5(68), 2017, http://dx.doi.org/10.15217/48484 УДК / UDC 631.354:631.17:631.1

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПОРЦИОННОЙ ЖАТКИ НА УБОРКЕ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР

FEASIBILITY STUDY OF THE USE OF A BATCH HEADER FOR HARVESTING

CEREAL

Константинов M.M., доктор технических наук, профессор Konstantinov M.M., Doctor of Technical Sciences, Professor Глушков И.Н., кандидат технических наук, доцент Glushkov I.N., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Пашинин C.C., кандидат технических наук, преподаватель Pashinin C.C., Candidate of Technical Sciences, Lecturer ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет»,

Оренбург, Россия Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education "Orenburg State Agrarian University", Orenburg, Russia E-mail: miconsta@yandex.ru

Одной из причин повышенных потерь зерна при уборке является несоответствие сроков проведения уборочных операций срокам созревания зерновых культур. В связи с большой нагрузкой на зерноуборочный комбайн в настоящее время продолжительность уборочного периода почти в 3-5 раз превышает агротехнические сроки. Современные высокопроизводительные зерноуборочные комбайны в условиях низкой урожайности зерновых могут загружаться не более, чем на 40-70%. По мнению ряда исследователей, для таких условий целесообразно применение двухфазной уборки зерновых. Целесообразно применение порционно-накопительного принципа формирования валков хлебной массы, что позволяет формировать валки требуемой мощности вне зависимости от урожайности. Для данных целей на базе Оренбургского ГАУ была разработана порционная жатка. Для оптимизации параметров и режимов работы жатвенного агрегата нужно задаться целевой функцией по критерию минимума интегральных затрат. Основными составляющими для неё будут отчисления на реновацию и ремонт, затраты на заработную плату и содержание механизаторов, на горюче-смазочные материалы, общие потери зерна за жаткой, потери урожая от длительного выполнения работ, потери будущего урожая от уплотнения почвы. Наиболее реальным для оптимизации представляются затраты, выражающие потери зерна за жаткой во время уборочного процесса. По результатам выполненных исследований были выявлены ограничения для рассматриваемой модели по критерию минимума интегральных затрат процесса двухфазной уборки зерновых, что позволяет определять эффективность процесса скашивания хлебостоя порционной жаткой в валки в ходе двухфазной уборки при конкретных технологических условиях. Ключевые слова: уборка зерновых, раздельная уборка, порционная жатка, критерий минимума интегральных затрат, потери зерна, параметры работы жатки.

One of the reasons of high grain loss during harvesting is the mismatch of harvesting operations with the time of crop maturation. Because of a large load on the combine harvester at present time, the duration of the harvest period is almost 3-5 times longer than it should be according to the agronomic terms. Modern high production combine harvesters in low grain yield cannot load more than 40-70%. According to some researchers, for such conditions it is advisable to use two-phase grain harvesting. It is advisable to use portions of the cumulative principle of the formation of rolls of bread mass, which allows to form rolls of the required capacity regardless of yield. For this purpose, on the basis of Orenburg state agricultural university a portion header was developed. To optimize the parameters and modes of the harvesting unit operation, the objective function conditioned by the criterion of minimum integral costs should be set. Its main components are the

following: costs for renovation and repairs, wage costs for machine operators, fuel and lubricants costs, the total losses of grain behind the header, crop yield losses caused by long run of works, losses of future grain yields as result of soil compaction.The most real in terms of optimization are the costs associated with the losses of grain behind the header in the process of harvesting. As a result of the conducted research, certain limitations for the experienced model by the criterion of minimum integral costs of the process of two-phase grain harvesting were revealed, which make it possible to determine the efficiency of the process of grain crop mowing in windrows with the portion header during the two-phase harvesting under the specific technological conditions. Key words: grain harvesting, separate harvesting, portioning header, minimum integral cost criterion, grain losses, header parameters.

Введение. Увеличение производства зерна было и остается одной из основных задач сельскохозяйственного производства. Большим резервом повышения сборов урожая является уменьшение потерь в период уборки. Одной из причин повышенных потерь зерна при уборке является несоответствие сроков проведения уборочных операций срокам созревания зерновых культур [1-6].

В связи с большой нагрузкой на зерноуборочный комбайн в настоящее время продолжительность уборочного периода почти в 3-5 раз превышает агротехнические сроки. Только из-за этого в Оренбургской области, по различным оценкам специалистов, теряется в среднеурожайные годы (10 ц/га) 0,4-0,8 млн. тонн зерна.

Условия, материалы и методы. Одним из вариантов решения данной проблемы стало применение современных высокопроизводительных комбайнов. Однако такие комбайны как «Дон-1500», «Акрос», машины зарубежных фирм «Кейс», «КПААС», «Джон Дир» и др., при указанной урожайности могут загружаться не более, чем на 40-70%. Поскольку данные машины используются нерационально, являясь довольно энергозатратной техникой, значительная часть расходов на их эксплуатацию, в частности на топливо, не дают отдачи, а при урожайности 3,5-6 ц/га, что также не редко имеет место в области за последние годы, затраты на уборочный процесс вообще не окупаются. По этой причине фермеры нередко бросают низкоурожайные поля, не желая убирать их себе в убыток. Помимо прямых убытков нужно учитывать, что молотильные аппараты комбайнов, не получая оптимальной загрузки в таких условиях, выходят из строя значительно быстрее [2, 3, 6, 7].

По мнению ряда исследователей [3, 7, 8], для условий Южного Урала и ряда иных регионов с похожими условиями хозяйствования, целесообразно применение двухфазной уборки зерновых - скашивание в стадии молочно-восковой спелости хлебной массы в валки и их последующий подбор с обмолотом после дозревания массы.

По данным наших исследований, для оптимальной загрузки комбайнов, начиная с комбайна «Дон-1500», необходимо формировать валки «мощностью» не менее 5,3-5,8 кг/пог.м. Традиционные валковые жатки (ЖВН-6, ЖВН-10 и их модификации) не могут в имеющихся условиях обеспечить данный параметр.

В этой связи целесообразно применение порционно-накопительного принципа формирования валков хлебной массы, что позволяет формировать валки требуемой мощности вне зависимости от урожайности на поле [2, 7, 9]. Для названных выше целей на базе Оренбургского ГАУ была разработана порционная жатка. Помимо стандартного исполнения, данная жатка имеет несколько разновидностей, снабженных дополнительными устройствами, использование которых может быть целесообразным для повышения качества и эффективности уборочного процесса в зависимости от конкретно взятых

условий, в частности порционная жатка с устройством образования кулис и порционная жатка с устройством для сбора свободного зерна [10, 11].

Использование этих жаток позволит повысить производительность зерноуборочных комбайнов, уменьшить все виды потерь зерна, характерные жатвенным агрегатам, снизить напряженность в уборочной период и себестоимость работ на 35-40%. Однако, чтобы дать максимально объективную оценку эффективности применения порционной жатки, необходимо понимать, что на параметры и качество ее работы влияет довольно большое количество факторов. Другими словами, чтобы обеспечить максимальную эффективность применения предлагаемой жатки, необходимо учесть весь комплекс процессов, влияющих на неё.

Исходя из сказанного, представляется нужным задаться целевой функцией по критерию минимума интегральных затрат для оптимизации параметров и режимов работы жатвенного агрегата:

Си= С1+С2+С3+С4+С5+С6-Кду^ min

где Си - интегральные затраты на уборку, руб/га;

С1 - отчисления на реновацию и ремонт, руб/га;

С2 - затраты на заработную плату и содержание механизаторов, руб/га;

С3 - затраты на горюче-смазочные материалы, руб/га;

С4 - общие потери зерна за жаткой, руб/га;

С5 - потери урожая от длительного выполнения уборочных работ, руб/га;

С6 - потери будущего урожая от уплотнения почвы ходовыми системами МЭС, руб/га;

Кду - компенсирующий эффект от применения дополнительных устройств на порционной жатке (при их отсутствии Кду=0), руб/га.

Затраты на реновацию, текущий и капитальный ремонты определяются по аналогичной методике как комбайна, так и порционной жатки:

С1=Б

где Б - балансовая стоимость (комбайна/жатки), руб;

r, Гтр, Гкр - коэффициенты отчислений на реновацию, текущий ремонт, техническое обслуживание и капитальные ремонты;

W4 - производительность жатки;

t - количество часов одного рабочего дня;

Dp - количество дней, на которое превышены сроки уборки, соответствующие агротребованиям.

Затраты на заработную плату и содержание механизаторов можно вычислить по формуле:

C2=

где М - число механизаторов, обслуживающих агрегат;

Tci - тарифная ставка механизаторов по i-му разряду, руб/чел-к;

Км - коэффициент, учитывающий доплаты по расчету за продукцию, премии, надбавки за классность;

См - суммарные годовые затраты на содержание в хозяйстве одного механизатора, руб/год;

Тм - годовой фонд времени механизатора, ч/год.

Затраты на ГСМ определяются следующим образом:

C3=GrMrW4-1 t, руб/га,

где G - часовой расход топлива и смазочных материалов, кг/га;

Цгсм - цена топливно-смазочных материалов, руб/кг;

W4 - часовая производительность агрегата, га/ч;

t - суточная продолжительность уборки, час.

Производительность жатвенного агрегата определяется по выражению:

Wч=36qмKqKcKwTcмUз-1,

где qм - пропускная способность порционной жатки, кг/с;

^ - коэффициент использования пропускной способности жатки;

^- коэффициент влажности хлебной массы;

Кз - коэффициент засоренности массы;

Кс - коэффициент соломистости массы;

Тем - коэффициент использования времени смены;

Ш - урожайность зерновых культур, ц/га.

На основе обработки экспериментальных данных получена следующая зависимость ^ :

-1,68ш2+3,741 ш+0,67, при 12< ш <33,

где ш - влажность хлебной массы.

Общие потери зерна за жаткой определяются с учетом традиционных допустимых видов потерь зерна, которые можно минимизировать, но невозможно исключить полностью:

С4= Цзз^с^н^сз),

где Цзз - закупочная цена на зерно, руб/ц;

^^ск, Qнк, ^^сз - количество потерь зерна срезанным колосом, несрезанным колосом и свободным зерном соответственно, ц/га.

Потери от длительности уборки определяются по формуле:

C5=0,5PKпUзDp Ц33,

где Р - коэффициент, учитывающий интенсивность подхода полей,

Кп - доля потерь урожая, приходящаяся на один день уборки, доля/день.

В идеальном случае, при условии того, что все работы выполнены в установленные сроки ^=0), данного вида потерь можно избежать (С5=0).

Потери урожая от уплотнения почвы можно определить по следующему выражению:

C6=102KybUз2Цк-íd-1, руб/га,

где Ку - доля потерь урожая о уплотнения почвы; Ь - ширина следа машины, м; у- содержание зерна в скошенной хлебной массе.

Компенсирующий эффект от применения дополнительных устройств на порционной жатке, подобно потерям от уплотнения почвы не оказывает прямого эффекта на текущий уборочный процесс, а выступает в качестве дополнительного положительного результата применения машины. Например, за счёт работы одного из таких дополнений - устройства образования стерневых кулис - на убираемом поле обеспечивается оставление высокой стерни (кулис) в целях обеспечения снегозадержания, что ведет к повышению уровня влаги в почве после таяния снежного слоя на следующий сезон. В результате, как показывают экспериментальные исследования [8, 10], увеличивается запас влаги в почве в 1,8-2,3 раза, на фоне чего было зарегистрировано увеличение урожайности зерновых культур в среднем на 26%. Вычисляется значение данного показателя следующим образом:

Кду= Ц^Д^у ,

гдeДUпy - прирост общего количества урожая, ц.

Результаты и обсуждение. Рассмотрев и проанализировав сущности каждого члена выражения 1, можно отметить, что на большинство из них мы либо не можем повлиять, либо влияние это носит крайне несущественный характер, результатом которого можно пренебречь. Некоторые виды затрат (затраты на

ГСМ, потери урожая от уплотнения почвы и др.) могут поддаваться снижению, но сугубо в частном порядке - с учетом погодных условий, фактического состояния убираемого хлебостоя, особенностей почвы. В сущности, оптимальности данных параметров можно добиться настройками и регулировками техники исходя из имеющихся условий, однако назвать однозначный диапазон оптимальных показателей для общего случая не представляется возможным.

Наиболее реальным для оптимизации представляются затраты, выражающие потери зерна за жаткой во время уборочного процесса. Рассмотрим, за счет чего мы можем снизить данные потери.

Различные виды потерь зерна, связанные с особенностями характеристик стеблестоя, будут всегда зависеть от условий на конкретном поле или его участке. Однако данными особенностями мы не должны пренебрегать: не имея возможности влиять на них напрямую, необходимо обеспечить правильные регулировки и режимы работы узлов и механизмов жатки, таких, как мотовило, режущий аппарат и транспортирующее устройство. В свою очередь, неправильная настройка и огрехи в работе этих узлов, могут вызвать дополнительные потери, превышающие принятые допустимые нормы.

В ходе проведения наших исследований [8-10], были выявлены и обоснованы режимы и параметры, с помощью подбора оптимальных значений для которых можно обеспечить минимизацию потерь зерна за порционной жаткой. Так, экспериментальные исследования и полученная аналитическая зависимость [9], определяющая скорость транспортера с учетом допустимого уровня потерь в зависимости от скорости агрегата, неплотности укладки массы, толщины слоя и от параметров хлебостоя, позволили установить, что оптимальная скорость транспортера порционной жатки (ут) находится в диапазоне от 1,6 до 2,8м/с. Помимо этого было установлено, что оптимальная частота вращения мотовила (пм) - 44-52об/мин, а окружная скорость планки (и) - 2,88-4,38м/с. Исходя из сказанного выше и с учетом рекомендуемого интервала соотношений окружной скорости планки мотовила и рабочей скорости агрегата (Уагр), последняя при уборке зерновых культур с помощью порционной жатки должна составлять порядка 2-3 м/с.

Выводы. По результатам выполненных исследований можем записать следующие ограничения для модели (1) по критерию минимума интегральных затрат процесса двухфазной уборки зерновых:

Wч, ^ йР, Ям, Кд, К,«, Кс, К3 > 0;

14 < ш < 30;

0 < I < 24;

1 < с1 < 10;

4 < из < 30

1,60 < Ут < 2,80

44 < пм < 52

2,88 < и < 4,38

1,90 < Уагр < 2,85

Все представленные в выражении 11 параметры и их ограничения приняты в единицах измерения, представленных в тексте данной работы.

Полученная целевая функция с учетом установленных ограничений позволяет определять эффективность выполнения процесса скашивания хлебной массы в валки посредством порционной жатки в ходе двухфазной уборки зерновых культур в конкретных технологических условиях работы.

Л

>

У

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Современные проблемы науки и производства в агроинженерии / Л.В. Бобрович, A.C. Гордеев, В.И. Горшенин, С.А. Жидков, А.И. Завражнов, A.A. Завражнов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2013. № 11-1. С. 100-101.

2. Проектирование и организация эффективного процесса уборки зерновых культур / М.М. Константинов, А.П. Ловчиков, В.П. Ловчиков [и др.]. Екатеринбург: Институт экономики УрО РАН, 2011. 144 с.

3. Шепелёв С.Д., Окунев Г.А., Маринин С.П. Рекомендации по совершенствованию технологических процессов уборки сельскохозяйственных культур (на примере уборки зерновых и силосных культур). Челябинск: ФГОУ ВПО «Челябинская ГАА», 2010. 149 с.

4. Старцев A.C. Технико-экономическая оценка работы зерноуборочного комбайна с решетом с регулируемыми отверстиями на уборке подсолнечника // Фундаментальные и прикладные исследования в высшей аграрной школе. 2014. С. 28-35.

5. Концепция модернизации инженерно-технической системы сельского хозяйства России на период до 2020 г. / В.И. Черноиванов, Ю.Ф. Лачуга, A.A. Ежевский, Н.В. Краснощеков, И. В. Горбачев, А.Ю. Измайлов, М.Н. Ерохин, В.Ф. Федоренко. Москва, 2009.

6. Совершенствование валковых жаток и жаток-хедеров в зерноуборочном парке машин для условий Северного Казахстана / В.Л. Астафьев, П.Г. Иванченко, Г.А. Окунев, А.П. Ловчиков // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2004. №1 (151). С. 86-89.

7. Жалнин Э.В. Альтернативные технологии уборки зерновых // Сельский механизатор. 2010. № 9. С. 12-13.

8. Константинов М.М., Глушков И.Н. Оценка уровня потерь зерна за порционной жаткой, оснащённой устройством для образования стерневых кулис // Известия ОГАУ. 2016. №3 (59). С. 86-89.

9. Обоснование соотношения скоростей накопительного транспортера и энергосредства порционной жатки / М.М. Константинов, И.Н. Глушков, С.С. Пашинин // Научное обозрение. 2015. № 11. С. 24-30.

10. Глушков И.Н. Использование валковой порционной жатки с устройством образования стерневых кулис для обеспечения снегозадержания и минимизация потерь зерна при уборке зерновых культур // Совершенствование инженерно-технического обеспечения технологических процессов в АПК: материалы международной научно-практической конференции. Оренбург. Издательский центр ОГАУ, 2013. С. 155-159.

11. Пашинин С.С. Повышение эффективности работы порционной жатки на уборке зерновых культур посредством ее оснащения дополнительными устройствами // Известия ОГАУ. 2016. №3 (59). С. 90-93.