Методический подход к разработке процесса прямого комбайнирования зерновых культур с двойным срезом стеблей

Методический подход к разработке процесса прямого комбайнирования зерновых культур с двойным срезом стеблей

А.П. Ловчиков, д.т.н., профессор, В.П. Ловчиков, к.т.н., Ш.С. Иксанов, аспирант, ФГБОУ ВПО Челябинская ГАА

Известно, что уборочный процесс в виде прямого комбайнирования зерновых колосовых культур является многопараметрической технологической системой, схема функционирования которой имеет иерархическую структуру, включающую в себя модели отдельных процессов, явлений и их взаимосвязи [1—4]. Технической основой таких систем в современных условиях являются зерноуборочные комбайны, которые можно рассматривать как преобразующие технические системы.

Цель исследования — обоснование методических положений к разработке процесса прямого комбайнирования зерновых колосовых культур с двойным срезом стеблей.

Задачи исследования: рассмотреть технологические свойства зерновых культур и произвести их классификацию; разработать схемы технологического воздействия рабочих органов машины на растение и на их основе обосновать информационную модель технологического процесса зерноуборочного комбайна с двойным срезом стеблей зерновых культур.

Материалы и методы исследований. Эффективность уборочного процесса в виде прямого комбайнирования зерновых колосовых культур во многом обусловлена использованием комбайнов, поскольку их технологическая загрузка зависит от изменения физико-механических свойств рас-

тений, с которыми напрямую связаны и технологические свойства [1—4].

На рисунке 1 видно, что технологические свойства стеблестоя зерновых культур условно можно разбить на две группы факторов — это управляемые и неуправляемые. К управляемым факторам можно отнести соотношение зерна и соломы по массе, которое определяется длиной стебля. Частично к данной группе факторов можно отнести и засорённость хлебной массы.

Посредством изменения длины стеблестоя за счёт высоты среза во время скашивания зерновых культур при прямом их комбайнировании возможно изменять соотношение зерна и соломы по массе, а также и засорённость хлебной массы перед подачей её в молотильный аппарат, что в конечном итоге отразится на эффективности использования комбайнов.

В общем, процесс прямого комбайнирования зерновых культур можно представить в виде схемы технологического воздействия рабочих органов машины или комбайна на стебель (рис. 2).

Из рисунка 2 следует, что во время уборки урожая зерновых культур комбайнами со стороны режущего аппарата жатки действует сила Рср (?1), которая характеризует процесс среза растения. Через определённый промежуток времени (А?1), т.е. время (11 + Аt1) действует сила Роб (11 + Аt1), которая характеризует процесс обмолота стебля с колосом длиной /ср с. Сила Роб (11 + А t1) практически воздействует на всю длину стебля /ср с = Нс—Нст.

Рис. 1 - Схема технологических свойств стеблестоя зерновых культур

Р - Р + Р

нап ск упр*

Рис. 2 - Схема технологического воздействия рабочих органов машины на стебель при прямом комбайнировании зерновых культур

Помимо этого на длину стебля (/ с) через промежуток времени (А^) действует сила Риз + А t1 + А ?2), которая характеризует процесс измельчения соломины стебля или незерновой части урожая (НЧУ). При этом возможно, что Риз + Д^ + Д2) = 0, т.е. измельчения НЧУ не осуществляется.

В процессе движения зерноуборочного комбайна по полю с повышением скорости перемещения жатки начинает усиливаться скоростной и упругий напор (Рнап) хлебостоя как своеобразной упругой среды со своей плотностью (р) и модулем Юнга (Е). Скоростной (Рск) и упругий (Рупр) напор хлебостоя характеризуется выражением [5]:

Рск - р И Рупр Е

где ¥М — скорость комбайна на поле, м/с;

р — первоначальная плотность хлебной массы, кг/м3;

е - ^^ — относительная деформация, где Ар — Р

изменение плотности хлебной массы (е = 8,0), кг/м3;

Е — модуль Юнга, для хлебостоя равен Е = 0,015 кг/м3 [6].

В общем, давление напора хлебной массы (Рнап) при прямом комбайнировании зерновых культур равно:

При этом величина давления хлебной массы (Рнап) возрастает при жёстком малоподатливом хлебостое, что характерно для короткостебельных сортов пшеницы, поскольку величина упругого напора повышается [5].

Результаты исследований. Вышеизложенное позволяет обосновать структурную схему технологического процесса прямого комбайнирования зерновых культур с двойным срезом стебля как системы, в которой преобразуются входные воздействия в виде функционирования Х(Т?) в выходные У(ТЧ), определяющие количественные и качественные показатели работы зерноуборочного комбайна (рис. 3).

Подсистемами в этом случае (рис. 3) являются в основном последовательно соединённые во времени технологические процессы технических подсистем преобразующей технической системы «зерноуборочный комбайн». Это такие, как: 1 — срез стебля на высоте (й1); 2 — срез стебля на высоте (Н1 + А1) и разбрасывание соломины длиной (А/ )на поверхности поля; 3 — обмолот продукта (колос + часть соломины) длиной (/2=/ср с); 4 — сепарация крупного вороха (солома), измельчение и разбрасывание соломы по полю; 5 — сепарация мелкого вороха, разбрасывание половы по полю.

Структурная схема технологического процесса, представленная на рисунке 3, как система может быть раскрыта в виде технологического воздействия рабочих органов машины или комбайна на стебель (рис. 4). По схеме видно, что первой операцией в технологической цепи прямого комбайнирования зерновых колосовых культур с двойным срезом стеблей является срез растений на корню, который выполняет преобразующая техническая подсистема «режущий аппарат» комбайновой жатки.

Общеизвестно, что преобразующая техническая система «зерноуборочный комбайн» работает в производственных условиях, где постоянно изменяются внешние воздействия вероятной природы, которые можно рассматривать как случайные функции ^) или от пути (£) [2—6].

Внешние воздействия характеризуют такие факторы, как неравномерность поверхности поля

Технологический процесс прямого комбойнирования зерновых культ ур

т—»—\

7

Рис. 3 - Схема технологического процесса прямого комбайнирования зерновых культур с двойным срезом стеблей в виде системы

Рис. 4 - Схема технологического воздействия рабочих органов машины на стебель при прямом ком-байнировании зерновых культур с двойным срезом

Рис. 5 - Информационная модель технологического процесса преобразующей технической системы «зерноуборочный комбайн» с двойным срезом стеблей зерновых колосовых культур

) или вызывающее колебание как комбайновой жатки, а следовательно, и режущего аппарата, так и зерноуборочного комбайна; урожайность соломы У() или Ус(б) и зерна Уз(0 или Уз(?); высота стеблестоя Нс(0 или Нс(я); влажность зерна юз(0 или юз(?); влажность соломы юс(0 или юс(я); влажность почвы юп(0 или юп(?); густота стеблестоя или пониклость стеблей

Кпс(0 или Кпс(я); засорённость поля Зс(0 или Зс(^); высота стеблестоя /с(0 или /с(я); диаметр стеблестоя йЦО или (1с{б) и другие. В общем виде технологический процесс преобразующей технической системы «зерноуборочный комбайн», составной частью которого является техническая подсистема «режущий аппарат», можно представить в виде информационной модели, построенной по принципу «вход — выход» (рис. 5).

На входе модели действует вектор-функция (Х) условий работы (внешних возмущений):

х = [2(0, Ус(0, Уз(0, ш 4(0, с(0,

Шз

В качестве выходной переменной принимается вектор-функция количественных показателей выполнения технологического процесса прямого комбайнирования зерновых культур с двойным срезом стеблей:

¥ = [(т3 : тс), /2(0, /р(0, Д/4(0, ?п(0, Ф( 0, П3(0, УЖ жч(0, Ззб(01,

где (тз: тс) — соотношение зерна и соломы по массе;

Н1(!) = Нст — высота среза или стерни, м;

/2 ( 0 = /ср с = (^1 + А/а) - высота среза стебля, м;

А!{ — промежуточный продукт соломины, м;

/р( 0 — длина резки соломы, м;

qп(t) — пропускная способность молотилки

комбайна, кг/с;

Ф( 0 — фракционный состав вороха, доля или %; Пз( 0 — суммарные потери зерна колосом за машиной, %;

Ум( 0 — рабочая скорость комбайна, м/с; Wc(t) — часовая производительность комбайна, т/ч или га/ч;

Ззб(0 — засорённость бункерного зерна, %.

Управляющими воздействиями в модели являются высота установки нижнего (Н1) и верхнего (Н2) уровня среза режущего аппарата комбайновой жатки, рабочая скорость движения (Км) зерноуборочного комбайна, скорость режущего элемента (Урэ или несущего элемента Ун) режущего аппарата комбайновой жатки, угол наклона режущего элемента (а) к горизонту.

В ходе разработки модели системы технологического процесса прямого комбайнирования зерновых культур с двойным срезом стебля принимаем допущения, что скорость среза стеблей верхнего и нижнего режущего элемента равна

н

между собой, т.е. V = V

а также, что t р = t _

т.е. происходит одновременный срез, хотя и может быть случай, что ^ Ф tрI. Влажность почвы

'р

г г

является нормальной и составляет 20,0—25,0% [1, 6], что обеспечивает движение машины по полю практически без буксования, а следовательно, не оказывает влияния на скоростной режим работы зерноуборочного комбайна. При этом обмолот зерновых колосовых культур осуществляется в фазе начала полной спелости зерна, т.е. при влажности зерна юз = 18,0—20,0%, что соответствует влажности соломы ю„ = 20,0—22,0%. Влажность соломы

изменяется от 20 до 40%. Пониклость стеблестоя составляет не менее 0,92—0,96 [1, 4, 6].

Выводы. Результаты анализа технологических свойств стеблестоя зерновых культур свидетельствуют о том, что ряд из них можно отнести к управляемым, в частности соотношение зерна и соломы по массе за счёт изменения длины среза стеблей.

На основе анализа схем технологического воздействия рабочих органов комбайна на стебель обоснована информационная модель технологического процесса преобразующей технической системы «зерноуборочный комбайн», в которой имеется преобразующая техническая подсистема в виде режущего аппарата двойного среза стеблей.

Двойной срез стеблей во время скашивания зерновых культур характеризуется образованием трёх видов продукта — это растительные остатки в виде стерни, растительные остатки части соломины (Д/;) на поверхности поля и растительный продукт «часть стебля + колос», который подвер-

гается технологическому воздействию рабочими органами комбайна.

Наличие промежуточного продукта соломы (Д/;) свидетельствует о необходимости уточнения составляющих математической модели процесса прямого комбайнирования зерновых культур с двойным срезом стеблей.

Литература

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

2. Завражнов А.И., Ловчиков А.П., Константинов М.М. и др. Снижение потерь и механических повреждений зерна при уборке урожая: рекомендации. Мичуринск: Изд-во Мичуринского госуниверситета, 2012. 82 с.

3. Ловчиков А.П., Ловчиков В.П., Иксанов Ш.С., и др. К обоснованию сроков уборки зернофуражных культур и технической оснащённости уборочного процесса в технологии производства плющеного кормового зерна // Вестник Красноярского агроуниверситета. 2012. Вып. 9. С. 177—182.

4. Пугачёв А.Н. Контроль качества уборки зерновых культур. М.: Колос, 1980. 255 с.

5. Алферов С.А., Калошин А.И., Угаров А.Д. Как работает зерноуборочный комбайн. М: Машиностроение, 1981. 191 с.

6. Жалнин Э.В. Расчёт основных параметров зерноуборочных комбайнов с использованием принципа гармоничности их конструкции. М.: ВИМ, 2011. 104 с.