Оптимизация конструкции распределительного шнека зерноуборочного комбайна

УДК 631.354.2

А. И. Ряднов, С. В. Тронев

Волгоградский государственный аграрный университет, Волгоград, Российская Федерация

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО ШНЕКА ЗЕРНОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА

Целью исследований являлось определение оптимальных конструктивных параметров распределительного шнека зерноуборочного комбайна РСМ-142 «ACROS-530». Оптимизация в полевых условиях проводилась методом планирования эксперимента. Из конструктивных параметров распределительного шнека, влияние которых на распределение циркуляционных потоков по ширине молотилки не изучалось, были выбраны факторы: расстояние от левого распределительного окна до фланца крепления кожуха на панели молотилки, длина левого и правого распределительного окна. Значения факторов кожуха распределительного шнека принимались конструктивно, исходя из длины выгрузного окна и ширины молотилки. В качестве критериев оптимизации были приняты выходные факторы, учитывающие влияние циркуляционного потока на приведенную подачу в молотилку и дробление зерна, то есть минимальное увеличение потерь и дробления зерна комбайном от циркуляционного потока. По экспериментальным данным в кодированном виде были получены уравнения регрессии увеличения потерь и дробления зерна комбайном от циркуляционных потоков. Оптимальные конструктивные параметры кожуха распределительного шнека определялись с помощью двумерных сечений и решения компромиссной задачи. В результате исследований установлено, что минимальное увеличение потерь и дробления зерна комбайном от циркуляционного потока обеспечивают следующие значения факторов: расстояние от левого распределительного окна до фланца крепления кожуха на панели молотилки - 0 мм; длина левого распределительного окна - 440 мм; длина правого распределительного окна - 470 мм. По сравнению с серийным зерноуборочным комбайном РСМ-142 «ACR0S-530» применение оптимальной конструкции распределительного шнека позволило снизить потери зерна на 6-7 %.

Ключевые слова: зерноуборочный комбайн, распределительный шнек, конструктивные параметры, оптимизация, потери зерна.

A. I. Ryadnov, S. V. Tronev

Volgograd State Agrarian University, Volgograd, Russian Federation

DESIGN OPTIMIZATION OF COMBINE HARVESTER DISTRIBUTING AUGER

The purpose of research was to determine the optimal design parameters for distributing auger of combine harvester RSM-142 "ACROS-530". Optimization in fields was carried out by method of experiment planning. From the design parameters of the distributing auger, which influence the distribution of circulation flows over the thresher's width hasn't been studied, the following factors were chosen: the distance from the left distribution window to the flange of casing attachment on the threshing panel, the length of the left and the right distribution windows. The values of factors of the distributing auger casing were taken constructively, proceeding from the length of the unloading window and the width of the thresher. The output factors taking into account the influence of the circulation flow on the

reduced feed to the thresher and on the grain crushing, that is, the minimum increase in losses and grain crushing by combine from the circulation flow were taken as the optimization criteria. According to the experimental data regression equations of increasing the losses and grain crushing by combine from the circulation streams were obtained in the coded form. Optimal design parameters of the distribution screw casing were determined using two-dimensional cross-sections and solving a compromise problem. As a result of the research it was set up that the minimum losses increase and grain crushing by the combine from the circulation flow are ensured by the following values of factors: distance from the left distribution window to the flange of the casing attachment on the threshing panel - 0 mm; The length of the left distribution window is 440 mm; The length of the right distribution window is 470 mm. Compared with the serial combine harvester RSM-142 "ACROS-530", the use of an optimal auger design made it possible to reduce grain losses by 6-7 %.

Keywords: combine harvester, distributing auger, design parameters, optimization, grain losses.

Введение. В Доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации, утвержденной Указом Президента РФ от 30.01.2010 № 120, производство зерна является критерием оценки состояния продовольственной безопасности [1].

Одно из направлений увеличения производства зерна - повышение качественных показателей комбайновой уборки зерновых культур. Поэтому научные исследования и конструкторские разработки в области комбайностроения направлены на дальнейшее повышение качественных показателей работы комбайнов, которые в значительной степени зависят от конструктивных параметров и режимов работы органов молотилки.

В работах ряда исследователей отмечено, что циркуляционные потоки колосового вороха в молотилке неоднозначно влияют на качественные показатели зерноуборочного комбайна [2-4]. Циркуляционные потоки способствуют повышению производительности по основному продукту (зерну), но при этом не должны ухудшать параметры протекания технологического процесса на рабочих органах зерноуборочного комбайна. Для этого рабочие органы, которые осуществляют циркуляционные процессы, должны иметь оптимальные конструктивные параметры и режимы работы.

Материалы и методы. Из модельного ряда ООО «КЗ «Ростсельмаш» выделим зерноуборочный комбайн РСМ-142 «ACR0S-530», в котором циркуляционные потоки перемещаются по рабочим органам молотилки

по следующей схеме. Недомолоченные колоски, проваливаясь через верхнее решето и удлинитель верхнего решета на нижнее решето, транспортируются в колосовой шнек и колосовой элеватор, подающий полученный ворох в домолачивающее устройство. В домолачивающем устройстве происходит повторный обмолот, после чего обмолоченный ворох шнеком равномерно распределяется по ширине стрясной доски [5].

Исследованиями В. Е. Бардышева, В. И. Иванцова и др. установлено, что основные процессы протекают с существенной неравномерностью потоков хлебной массы по ширине рабочих органов зерноуборочного комбайна [6-8]. Неравномерность потоков ухудшает протекание технологических процессов обмолота и сепарации в молотилке.

Повысить качественные показатели зерноуборочного комбайна РСМ-142 «ACROS-530» возможно за счет повышения равномерности потоков хлебной массы по ширине рабочих органов молотилки, что обеспечивается, в частности, использованием кожуха распределительного шнека с оптимальными конструктивными параметрами.

При этом кожух распределительного шнека должен осуществлять разгрузку зерна в любом месте по длине транспортера. Конструктивные параметры кожуха распределительного шнека, влияние которых на равномерность потоков хлебной массы по ширине рабочих органов молотилки не изучалось, приняты следующие: расстояние от левого распределительного окна до фланца крепления кожуха на панели молотилки, длина левого и правого распределительного окна. Значения перечисленных параметров кожуха распределительного шнека принимались конструктивно, исходя из ширины молотилки зерноуборочного комбайна. Наименование факторов, их уровни и интервалы варьирования приведены в таблице 1.

На этапе полевых исследований выходными факторами приняты увеличение потерь ДП и дробления АД зерна комбайном от циркуляционных потоков.

Таблица 1 - Факторы, их уровни и интервалы варьирования

при оптимизации кожуха распределительного шнека

Фактор Уровни фактора Интервал варьирования, 8

0 -1 +1

х1 - расстояние от левого распределительного окна до фланца крепления кожуха на панели молотилки, мм 150 0 300 150

х2 - длина левого распределительного окна, мм 450 300 600 150

х3 - длина правого распределительного окна, мм 450 300 600 150

Для снижения количества опытов при оптимизации конструкции распределительного шнека зерноуборочного комбайна использовали полностью насыщенный план Рехтшафнера.

С учетом данных таблицы 1 и плана полевых экспериментов, были изготовлены экспериментальные образцы распределительных шнеков, которые устанавливались на зерноуборочный комбайн РСМ-142 «ACROS-530». Перед началом исследований зерноуборочный комбайн был отрегулирован для данных условий уборки с серийной конструкцией распределительного шнека.

При определении выходных показателей зерноуборочного комбайна без циркуляционных потоков открывалась нижняя крышка колосового элеватора для того, чтобы циркуляционный поток поступал в отдельную тару.

Результаты и обсуждение. По данным полевых экспериментов c помощью оригинальной программы [9] для факторов конструкции кожуха распределительного шнека были получены уравнения регрессии увеличения потерь ДП и дробления АД зерна комбайном от циркуляционных потоков в кодированном виде:

- для озимой пшеницы:

ДПозп = 0,078+ 0,028х1 + 0,005х2 -0,008х3 -0,003х>х2 -0,001х1х + + 0,008х2х3 + 0,015x2 +0,028x2 + 0,02х32,

ДД03П = 0,106+ 0,048х1 + 0,005х2 -0,007х3 + 0,001x^2 + 0,003x^3 + + 0,01х2х3 + 0,026x2 + 0,039x2 + 0,041x2;

- для ячменя:

ДПЯЧ = 0,066+ 0,035Х + 0,002х2 - 0,002Х3 + 0,001х1х + 0,005x^3 + + 0,008х2х3 + 0,019x2 + 0,031x3 + +0,026x2, ^

ДДЯЧ = 0,081+ 0,025х1 - 0,001х2 - 0,005х3 + 0,003Хг^ + 0,003хх3 + + 0,008Х2х + 0,014x2 + 0,019x2 + 0,024х32.

Критерий Фишера для уравнений регрессии (1), (2), (3) и (4) соответственно равен FдП озп = 0,3874, ^д озп = 0,4083, FдП яч = 0,3467 и FДд яч = 0,4364. Во всех случаях F0,05 > F (здесь F0,05 = 2,8688 - табличное значение критерия Фишера при уровне значимости 5 % [10]). Таким образом, математические модели адекватны результатам эксперимента.

С помощью предложенной программы определены оптимальные значения факторов уравнений регрессии (1), (2), (3) и (4) (таблица 2) [9]. Таблица 2 - Оптимальные значения факторов уравнений регрессии

Фактор Уравнение регрессии

х1 -0,93 -0,91 -0,95 -0,93

х2 -0,16 -0,08 -0,06 0,03

х3 0,22 0,13 0,15 0,15

Для определения формы поверхности откликов уравнения регрессии (1), (2), (3) и (4) привели к канонической форме:

7Шо п - 0,064= 0,15х2 + 0,03х2 + 0,018х2,

УЛЛ - 0,083= 0,026х2 + 0,035х2 + 0,045х2, ДДозп 123

7ДПяч - 0,049= 0,018х2 + 0,033х2 + 0,024х2,

- 0,069= 0,014х2 + 0,017х2 + 0,027х2.

Поверхности откликов представляют собой трехмерные параболои-

ды с координатами центров поверхностей в оптимальных значениях факторов, так как все коэффициенты при квадратных членах уравнений (5), (6), (7) и (8) имеют положительные знаки.

Оптимальные конструктивные параметры распределительного шнека определялись с помощью решения компромиссной задачи. В качестве основного критерия оптимизации распределительного шнека было принято

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 2(26), 2017 г., [185-194] увеличение потерь зерна озимой пшеницы ДПозп от циркуляционных потоков, а дополнительными критериями являлись: увеличение потерь зерна ячменя ЛПЯЧ, дробления зерна озимой пшеницы ЛД03П и ячменя ЛДЯЧ от циркуляционных потоков.

Решение компромиссной задачи заключалось в нахождении значений факторов (х1, х2 и хз), дающих минимальное увеличение основного критерия ЛПозп при фиксированных значениях дополнительных критериев

(ЛПяЧ = 0,05 %, ЛДозП = 0,085 % и ЛДяч = 0,07 %).

По уравнениям регрессии (1), (2), (3) и (4) строились двумерные сечения поверхностей откликов относительно исследуемых двух факторов, а прочие факторы фиксировались на уровнях, оптимальных по основному критерию оптимизации х1 = -0,93, х2 = -0,16 и х3 = 0,22 (рисунки 1-3).

Рисунок 1 - Двумерное сечение для изучения влияния факторов Х1 и Х2 на АП0зП, ЛПяЧ, ДД„зП и ДДЯЧ при хз = 0,22

Рисунок 2 - Двумерное сечение для изучения влияния факторов Х1 и хз на АП0зП, ДПяЧ, АД^ и ДДЯЧ при Х2 = -0,16

Рисунок 3 - Двумерное сечение для изучения влияния факторов Х2 и хз на ДЦ^, АПяЧ, ДДозп и ДДяЧ при Х1 = -0,93

Результаты анализа и решения компромиссной задачи по определению оптимальных значений факторов представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Анализ и решение компромиссной задачи

Двумерное сечение относительно факторов Значение фиксируемого фактора Общая зона оптимума в кодируемом виде Общая зона оптимума в раскодированном виде

х1 - х2 х3 = 0,22 х1 = -1,0.. .-0,9; х2 = -0,1.0 х1 = 0.15 мм; х2 = 435.450 мм

х1 - х3 х2 = -0,16 х1 = -1,0.-0,9; х3 = 0,1.0,2 х1 = 0.15 мм; х3 = 465.480 мм

х2 - х3 х1 = -0,93 х2 = -0,1.0; х3 = 0,1.0,2 х2 = 435.450 мм; х3 = 465.480 мм

Выводы. В результате решения компромиссной задачи при значениях факторов (х1 = 0 мм, х2 = 440 мм и х3 = 470 мм) увеличение потерь зерна озимой пшеницы составит АПрШ^200 = 0,065 % от циркуляционных потоков при фиксированных значениях дополнительных критериев (АПЯЧ = 0,05 %,

АДозп = 0,085 % и ДДяч = 0,07 %).

По сравнению с серийным зерноуборочным комбайном РСМ-142 «ACROS-530» применение оптимальной конструкции распределительного шнека позволило снизить потери зерна на 6-7 %.

Список использованных источников

1 Доктрина продовольственной безопасности РФ: указ от 30 января 2010 г. № 120: по состоянию на 1 марта 2017 г. // Гарант Эксперт 2017 [Электронный ресурс]. -НПП «Гарант-Сервис», 2017.

2 Оробинский, В. И. Изучение циркуляционных процессов в молотилке зерноуборочного комбайна / В. И. Оробинский, А. П. Тарасенко, А. М. Гиевский // Вестник Воронежского ГАУ. - 2011. - № 2(29). - С. 37-41.

3 Пустовит, С. В. Влияние массы циркулирующего зерна в молотилке комбайна на качество работы очистки / С. В. Пустовит, В. И. Оробинский // Вестник Воронежского ГАУ. - 2013. - № 2(37). - С. 255-257.

4 Ряднов, А. И. Усовершенствованное домолачивающее устройство / А. И. Ряд-нов, С. В. Тронев, А. П. Стенковой // Сельский механизатор. - 2011. - № 7. - С. 11.

5 Комбайн зерноуборочный самоходный РСМ-142 «ACROS». Инструкция по эксплуатации и техническому обслуживанию. Версия 10 / ООО КЗ «Ростсельмаш». -Ростов н/Д.: КЗ «Ростсельмаш», 2015. - 528 с.

6 Бердышев, В. Е. Влияние неравномерности подачи вороха на качество работы очистки зерноуборочного комбайна / В. Е. Бердышев // Земледельческая механика: сб. науч. тр. / МИИСП. - М., 1980. - Т. XVII. - С. 78-82.

7 Иванцов, В. И. Влияние неравномерности подачи хлебной массы на потери при обмолоте // Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства»: труды IX Междунар. науч.-техн. конф. - Ростов н/Д.: ИЦ ДГТУ, 2010. - C. 189-191.

8 Gach, S. Effect of reel slat number on uniformity of cereal mass feeding to the threshing unit and on threshing quality / S. Gach, C. Pintara // Ann. Warsaw Agr. Univ. Agr., 2003. - № 44. - P. 17-22.

9 Дегтярев, Ю. П. Регрессионный анализ на ПЭВМ / Ю. П. Дегтярев, А. И. Филатов // Повышение надежности и эффективности использования сельскохозяйственной техники: сб. науч. тр. Волгоградского СХИ. - Волгоград, 1992. - С. 128-131.

10 Румшинский, Л. З. Математическая обработка результатов эксперимента / Л. З. Румшинский. - М.: Наука, 1971. - 192 с.

References

1 Doktrina prodovolstvennoy bezopasnosti RF [The Doctrine of Food Security of the Russian Federation]. Decree of January 30, 2010, no. 120, as of March 1, 2017]. NPP GarantService Publ., 2017. (In Russian).

2 Orobinskiy V.I., Tarasenko A.P., Gievskiy A.M., 2011. Izucheniye tsirkul-yatsionnykh protsessov v molotilke zerno-uborochnogo kombayna [Study of circulating processes in the grind of a grain harvester]. Vestnik Voronezhskogo GAU [Bull. Voronezhskiy state agrarian university]. no. 2(29), pp. 37-41. (In Russian).

3 Pustovit S.V., Orobinskiy V.I., 2013. Vliyaniye massy tsirkuliruyushchego zerna v molotilke kombayna na kachestvo raboty ochistki [Weight of grain circulating in combine thresher and its influence on quality of separating]. Vestnik Voronezhskogo GAU [Bull. Of Voronezhskiy state agrarian university]. no. 2(37), pp. 255-257. (In Russian).

4 Ryadnov A.I., Tronev S.V., Stenkova A.P., 2011. Usovershenstvovannoye domola-chivayushcheye ustroystvo [Advanced finish-threshing device]. Selskiy mekhanizator [Rural Mechanizer]. no. 7, 11 p. (In Russian).

5 Kombayn zernouborochnyy samokhodnyy RSM-142 «ACROS». Instruktsiya po ek-spluatatsii i tekhnicheskomu obsluzhivaniyu [Self-propelled combine harvester RSM-142 "ACROS". Operation and maintenance manual. Version 10 / LLC KZ "Rostselmash"]. Rostov-on-Don, KZ "Rostselmash", 2015, 528 p. (In Russian).

6 Berdyshev V.Ye., 1980. Vliyaniye neravnomernosti podachi vorokha na kachestvo raboty ochistki zernouborochnogo kombayna [Influence of heap uneven pitching on quality of separation of a combine harvester]. Zemledelcheskaya mekhanika: sbornik nauchnykh trudov [Agricultural Mechanics: proceed.]. MIISP, Moscow, v. XVII, pp. 78-82. (In Russian).

7 Ivantsov V.I., 2010. Vliyaniye neravnomernosti podachi khlebnoy massy na poteri pri obmolote [Influence of unevenness of bread mass feeding on losses at threshing]. Innovatsiya, ekologiya i resursosberegayushchiye tekhnologii na predpriyatiyakh mashinostroyeniya, avi-astroyeniya, transporta i selskogo khozyaystva: trudy IX Mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii [Innovation, ecology and resource-saving technologies at machine building, aircraft building, transport and agricultural enterprises: Proceed. of the IX intern. scientific-technical conference]. Rostov-on-Don, DGTU Information Center Publ., pp. 189-191. (In Russian).

8 Gach, S., Pintara C., 2003. Effect of reel slat number on uniformity of cereal mass. Ann. Warsaw Agr. Univ. Agr., no. 44, pp. 17-22. (In English).

9 Degtyarev Yu.P., Filatov A.I., 1992. Regressionnyy analiz na PEVM [Regression analysis on a PC]. Povysheniye nadezhnosti i effektivnosti ispolzovaniya selskokhozyaystven-noy tekhniki: sb. nauch. tr. Volgogradskogo SKHI [Increasing of reliability and efficiency in

agricultural machinery use: Proceed. of Volgograd Agricultural Institute]. Volgograd, pp. 128-131. (In Russian).

10 Rumshinsky L.Z., 1971. Matematicheskaya obrabotka rezultatov eksperimenta [Mathematical processing of experimental results]. Moscow, Nauka Publ., 192 p. (In Russian).

Ряднов Алексей Иванович

Ученая степень: доктор сельскохозяйственных наук Ученое звание: профессор

Должность: заведующий кафедрой «Эксплуатация машинно-тракторного парка» Место работы: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный аграрный университет» Адрес организации: пр-т Университетский, д. 26, г. Волгоград, Российская Федерация, 400002

E-mail: alex.rjadnov@mail.ru

Ryadnov Aleksey Ivanovich

Degree: Doctor of Agricultural Sciences Title: Professor

Position: Head of Chair "Operation of the machine and tractor" Affiliation: Volgograd State Agrarian University

Affiliation address: ave. Universitetskiy, 26, Volgograd, Russian Federation, 400002 E-mail: alex.rjadnov@mail.ru

Тронев Сергей Викторович

Ученая степень: кандидат технических наук Ученое звание: доцент Должность: доцент

Место работы: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный аграрный университет» Адрес организации: пр-т Университетский, д. 26, г. Волгоград, Российская Федерация, 400002

E-mail: stronev@mail.ru

Tronev Sergey Viktorovich

Degree: Candidate of Technical Sciences Title: Associate Professor Position: Associate Professor Affiliation: Volgograd State Agrarian University

Affiliation address: ave. Universitetskiy, 26, Volgograd, Russian Federation, 400002 E-mail: stronev@mail.ru