Сравнительный анализ систем очистки косогорного зерноуборочного комбайна

УДК 631.354.2.027

сравнительный анализ систем очистки косогорного зерноуборочного комбайна

A.A. СИТНИКОВ, доктор технических наук, профессор

С.Ф. СОРОЧЕНКО, кандидат технических наук, доцент

B.А. ДРЮК, кандидат технических наук, доцент

Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова, просп. Ленина, 46, Барнаул, 656038, Российская Федерация

Резюме. Уборка зерновых культур на склонах зерноуборочными комбайнами базовой модификации сопровождается повышенным уровнем потерь зерна, причём значительная их часть приходится на систему очистки. Разработанные авторским коллективом системы очистки для косогорного зерноуборочного комбайна отличаются качественными характеристиками, конструкцией и массой. Исследования проводили с целью их сравнительной оценки и выявления наиболее конкурентоспособных. Работа выполнена в лабораторных условиях при поперечном наклоне установки на угол 8Р на зерновом ворохе пшеницы влажностью от 10 до 12 %, с содержанием соломистых примесей на уровне 30 %. Изучали следующие схемы: очистка с решетно-винтовым сепаратором; очистка с двухсекционным верхним решетом; очистка с самоустанавливающимся верхним решетом; комбинированная очистка с решётно-винтовым сепаратором и самоустанавливающимся верхним решетом; очистка с выравнивателем зернового вороха на верхнем решете; очистка с адаптером для склонов. Сравнение проводили с серийной очисткой зерноуборочного комбайна третьего класса. Оценку осуществляли с помощью интегрального коэффициента конкурентоспособности машины, рассчитанного по подаче зернового вороха в очистку при потерях зерна 0,5 % и расчётной массе зерноуборочного комбайна. Наиболее конкурентоспособны очистка с выравнивателем зернового вороха на верхнем решете (предполагаемый интегральный коэффициент конкурентоспособности машины равен 1,61), очистка с самоустанавливающимся верхним решетом (1,66), комбинированная очистка с решётно-винтовым сепаратором и самоустанавливающимся верхним решетом (1,75) и очистка с адаптером для склонов (1,76).

Ключевые слова: зерноуборочный комбайн, система очистки, склоны, потери зерна, конкурентоспособность. Для цитирования: Ситников A.A., Сороченко С.Ф., Дрюк В.А. Сравнительный анализ очисток косогорного зерноуборочного комбайна //Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. № 3. С.

Уборка зерновых культур на склонах зерноуборочными комбайнами базовой (равнинной) модификации сопровождается повышенным уровнем потерь зерна, значительная часть которых приходится на систему очистки. Основные причины повышенного уровня потерь зерна на склонах: неравномерное распределение зернового вороха на верхнем решете, вызванное его смещением в сторону бокового наклона комбайна; увеличение или снижение скорости вороха при движении зернокомбайна вверх или вниз по склону [1]. Косогорные модификации зерноуборочных комбайнов, предназначенные для работы на склонах до 100, предусматривают использование устройств, повышающих эффективность разделения зернового вороха в системе очистки. Современные зерноуборочные комбайны косогорной модификации в нашей стране сейчас не выпускают, но потребность в них имеется. Например, в Алтайском крае в 43-х районах общая площадь пашни с уклоном 50 и более превышает 180 тыс. га [2]. При этом зарубежные фирмы производят зерноуборочные комбайны, как крутосклонной (уклон поля до 20 %), так и косогорной модификаций [3,4]. Целесообразность использования

зерноуборочных комбайнов косогорной модификации на склонах до 11,40 была обоснована ранее [5].

Вопросам повышения эффективности системы очистки равнинного комбайна при проведении уборки на косогорах посвящены работы [1,6,7,8]. Одно из направлений совершенствования системы очистки - замена транспортной доски винтовыми транспортёрами, которые позволяют равномерно подавать зерновой ворох на верхнее решето вне зависимости от продольных и поперечных наклонов комбайна [9,10]. В АлтГТУ разработана система очистки с решётно-винтовым сепаратором, в которой при номинальной пропускной способности зерноуборочного комбайна третьего класса потери свободным зерном, в сравнении с базовой очисткой, в 3,4 раза ниже [11]. Учитывая, что боковой наклон комбайна оказывает большее влияние на потери зерна, чем продольный [12], разработано двухсекционное верхнее решето и самоустанавливающееся верхнее решето, которые повышают эффективность работы очистки при боковом наклоне комбайна [13]. Сочетание решетно-винтового сепаратора с самоустанавливающимся верхним решетом позволило ещё больше увеличить эффективность работы очистки [14]. Для равномерного распределения зернового вороха на верхнем решете разработан выравниватель зернового вороха [15], в котором решето совершает дополнительные колебания в поперечном направлении, а также адаптер для склонов [16], устанавливаемый вместо прутковой решётки транспортной доски и разравнивающий зерновой ворох перед верхним решетом.

Цель исследования - сравнительная оценка разработанных схем очисток косогорного зерноуборочного комбайна и выявление наиболее конкурентоспособных из них.

Рис. 1. Схемы исследуемых очисток косогорного зерноуборочного комбайна: а) с решётно-винтовым сепаратором;

б) двухсекционное верхнее решето (поперечное сечение);

в) самоустанавливающееся верхнее решето (поперечное сечение); г) выравниватель зернового вороха на верхнем решете; д) адаптер для склонов; 1 - верхнее решето; 2 - нижнее решето; 3 - вентилятор; 4 - решётно-винтовой сепаратор; 5 - секция верхнего решета; 6 - гидроцилиндр; 7 - поддержка; 8 - подвеска; 9 - компенсирующий механизм; 10 - механизм поперечных колебаний решета; 11 - механизм изменения амплитуды и направления поперечных колебаний решета; 12 - транспортная доска; 13 - решётка адаптера.

Условия, материалы и методы. Объектом исследования служили системы очистки, предназначенные для косогорного зерноуборочного комбайна, которые сравнивали с очисткой комбайна третьего класса СК-5М «Нива» (базовая).

Изучали следующие варианты очисток (рис.1): с решетно-винтовым сепаратором (схема 1, см. рис.1, а);

с двухсекционным верхним решетом (схема 2, см. рис.1, б);

с самоустанавливающимся верхним решетом (схема 3, см. рис.1, в);

комбинированная очистка с решётно-винтовым сепаратором и самоустанавливающимся верхним решетом (схема 4);

с выравнивателем зернового вороха на верхнем решете (схема 5, см. рис. 1, г);

с адаптером для склонов (схема 6, см. рис. 1, д). Сравнительные экспериментальные исследования выполнены в АлтГТУ на лабораторной установке, разработанной на основе молотилки зерноуборочного комбайна СК-5М «Нива» (рис. 2).

рис. 2. Лабораторная установка «Система очистки зерноуборочного комбайна»: 1 - транспортёр-питатель I; 2 -транспортёр-питатель II; 3 - створка; 4 - транспортная доска; 5 - приводной колебательный механизм; 6 - вентилятор; 7 -верхний решётный стан с удлинителем; 8 - нижний решётный стан; 9 - колосовой отборник; 10 - зерновой отборник; 11 -зерновой ящик; 12 - колосовой ящик; 13 - приёмник соломистой фракции; 14 - вытяжной вентилятор; 15 - направитель зернового вороха; 16 - пальцевая решётка; 17 - подвески.

Работу проводили на зерновом ворохе пшеницы влажностью от 10 до 12 % с содержанием соломистых примесей 30 %. Фракционный состав соломистых примесей: полова (колосковые и цветочные чешуйки) - от 72,3 до 80,7 %; сбоина и колоски - от 19,3 до 27,7 %. Длина частиц сбоины варьировала в интервале от 10 до 160 мм. Соотношение потоков зернового вороха, поступающих с транспортёра-питателя 1 и транспортёра-питателя 2 - 0,7/0,3. Повторность опытов трёхкратная.

Работу очистки оценивали по потерям зерна Р( %), сходу зерна в колосовой шнек Рк (%) и содержанию соломистых примесей в бункерном зерне Z(%), определяемым по стандартной методике [17]. Конструктивные и регулировочные параметры (табл. 1), а также режимы работы изучаемых очисток определяли с использованием методов математического моделирования, планирования эксперимента, однофакторных экспериментов, дисперсионного и регрессионного анализа.

Особенности конструкций и настроек:

в базовой очистке на транспортной доске установлены две продольные

гребёнки высотой 50 мм;

в базовой очистке со щитками установлены три продольные гребёнки высотой 130 мм на транспортной доске и увеличены до 130 мм продольные гребёнки на верхнем решете;

параметры очистки с решётно-винтовым сепаратором (схема 1): число шнеков - 4 шт. частота вращения шнеков - 330 мин-1, положение направителя воздуха в патрубке вентилятора (доля нижней части) - 0,3, продольный угол наклона нижнего решета к горизонту - 40;

в очистке с двухсекционным верхним решетом (схема 2) секция, расположенная ниже, установлена под углом 120;

предельный угол установки самоустанавливающегося верхнего решета (схема 3) относительно решётного стана - 60, на транспортной доске установлены две продольные гребёнки высотой 130 мм;

в очистке с выравнивателем вороха (схема 5) амплитуда поперечных колебаний решета - 20 мм;

параметры очистки с адаптером (схема 6): длина решётки адаптера - 400 мм, шаг гребёнок - 75 мм; амплитуда колебаний решётки адаптера в поперечном направлении - 18 мм.

Обработку результатов экспериментов осуществляли с использованием программы Microsoft Excel.

Оценку очисток выполняли с использованием интегрального показателя конкурентоспособности машины k.. в соответствии с ГОСТ Р 53057-2008. Учитывали

М

факторные коэффициенты цены k1 и производительности труда k3 конкурирующих машин:

^VYi+VYS.

где y1, y3 - значения удельных весов факторных коэффициентов значимости, которые приняты равными 0,5.

Приняв цену машин прямо пропорционально их массе, коэффициент k1 определяли по формуле:

1 Бк Мк'

где ББ и Бк - цена базовой и конкурирующей машины соответственно; МБ и Мк - масса базовой и конкурирующей машины соответственно.

Массу машины рассчитывали по массе зерноуборочного комбайна СК-5М «Нива» и массе опытных образцов систем очистки, разработанных в АлтГТУ. Коэффициент к3 определяли по формуле:

-9к

л J — ,

Яб

где qБ и qк - подача зернового вороха в базовой и исследуемой очистке соответственно при принятом уровне потерь зерна (0,5 %).

Сравнение эффективности разработанных очисток с базовой проводили по потерям зерна при поперечном наклоне лабораторной установки на угол 80.

результаты и обсуждение. Содержание соломистых примесей в сравниваемых вариантах не превышало 2 %. Определение потерь зерна в зависимости от подачи

Таблица 1. регулировочные параметры очисток

Наименование параметра Схема очистки

базовая (базовая со щитками) 1 2 3 4 5 6

Зазор между гре-

бёнками решёт, мм

верхнего 13 13 13 12 13 12 15

нижнего 9 10 10 9 9 9 10

Частота вращения

вентилятора, мин-1 600 660 600 640 690 600 630

2,5 P, % 2,0

1,5 2,2 2,9

Подача зернового вороха на очистку q, кг/с

1,0

P, %

0,5

0,0

/

/ /

f / /

/ > г 1 /

/ ? * S

9 У £

i г"

• Базовая

P = 0,160e0729q R = 0,972

О Базовая со щитками

P = 0,063e0 878q R2= 0,996

схема 1

P = 0,099e 0,727q R2= 0,984

A схема 2

P = 0,132q2-0,765q + 1,667 R2 = 0,788

О схема 3 P= 0,091q2-0,316q + 0,434 R2= 0,988  схема 4 P = 0,096q2-0,390q + 0,547 R2= 0,941

+ схема 5 P = 0,622q2-3,288q + 4,422 R2= 1

X схема 6 P = 0,247q2-1,353q + 2,019 R2 = 0,991

1,5 2,2 2,9 3,6 4,3

Подача зернового вороха на очистку q, кг/с

Рис. 3. Результаты сравнительных лабораторных исследований очисток.

(рис. 3) показало, что смещение зернового вороха на транспортной доске и верхнем решете базовой очистки привело к их увеличению: при подаче зернового вороха 3,6 кг/с потери зерна составили 2,32 %, а принятый уровень потерь (0,5 %) достигался только при подаче 1,6 кг/с. Высота и количество продольных гребёнок, установленных в базовой очистке, оказались недостаточными для предотвращения смещения зернового вороха в сторону уклона. Небольшая модернизация базовой очистки, заключавшаяся в установке на транспортной доске трёх продольных гребёнок высотой 130 мм и увеличение высоты гребёнок на верхнем решете до 130 мм (схема - базовая со щитками), позволила снизить неравномерность зернового вороха на верхнем решете и уменьшить потери зерна до 1,48 %, при этом подача зернового вороха при установленном уровне потерь увеличилась до 2,35 кг/с.

Снижение нагрузки зерновым ворохом верхнего решета путем предварительного отделения зерна, поступающего из молотильно-сепарирующего устройства, автономная сепарация зерна в каждой секции, практическая независимость движения зернового вороха от продольных кренов молотилки - предпосылки использования решётно-винтового сепаратора в системе очистки косогорного зерноуборочного комбайна. Однако, как показали исследования, смещение зернового вороха на верхнем решете значительно снижает эффективность его работы при поперечном крене, причём подача при установленном уровне потерь зерна оказалась даже несколько ниже (в 1,07 раза), чем в варианте с базовой очисткой с дополнительными щитками. Установка секции верхнего решета наиболее загруженной зерновым ворохом под углом 120 (схема 2) способствовала уменьшению толщины слоя вороха в этой части решета, но неравномерность его распределения по поверхности решета приводила к

повышенным потерям зерна. Так, при подачах зернового вороха от 1,5 до 2,0 кг/с они были выше, чем в базовой очистке, только от 2,0 кг/с потери зерна снижались: при подаче 3,6 кг/с они составляли 0,6 %, что меньше, чем в базовой очистке, в 3,8 раза.

Таким образом, основное условие работы очистки с допустимым уровнем потерь зерна при поперечном наклоне корпуса комбайна - выравнивание толщины слоя зернового вороха на верхнем решете. Это достигается путем его выравнивания относительно горизонта, например, при использовании самоустанавливающегося решета (схема 3), дополнительных колебаниях решета (схема 5) или решётки адаптера (схема 6) в поперечном направлении. При установленном уровне потерь зерна в очистке подача зернового вороха по схеме 3 составила 3,6 кг/с, что выше, в сравнении с базовой, в 2,3 раза, в очистке по схеме 5 - 3,45 кг/с (в 2,2 раза); в очистке с адаптером (схема 6) - 3,9 кг/с (в 2,4 раза). Сочетание предварительного разделения зернового вороха с выравниванием верхнего решета, реализованное в комбинированной очистке (схема 4), также даёт хорошие результаты - подача зернового вороха при установленном уровне потерь зерна составила 3,9 кг/с, что выше, чем в базовом варианте, в 2,4 раза.

Сход зерна в колосовой шнек в разработанных очистках с выравнивающими устройствами в рассматриваемом диапазоне подач отличался от базового варианта незначительно (от 3,07 до 5,59 %). В очистке с решётно-винтовым сепаратором нижнее решето более загружено зерновым ворохом, что приводит к повышенному сходу зерна в колосовой шнек, который по схеме 1 составлял от 5,09 до 7,8 %, а в комбинированной очистке с решётно-винтовым сепаратором и самоустанавливающимся верхним решетом (схема 4) - от 2,9 до 6,35 %. Однако, как показали предварительные полевые испытания зерноуборочного комбайна с решётно-винтовым сепаратором, небольшое повышение схода зерна в колосовой шнек не оказывает существенного влияния на его дробление, которое в сравниваемых комбайнах находилось на одном уровне [18].

Заметим, что в очистках с решётно-винтовым сепаратором (схемы 1 и 4) благодаря использованию в конструкции двухрукавного вентилятора, дополнительный рукав которого предназначен для подачи воздушного потока на решето сепаратора, энергоёмкость привода из-за увеличения подачи воздуха повышается в 1,3 раза [19], в сравнении с базовой очисткой, однако частота вращения крыльчатки двухрукавного вентилятора не превысила регулировочного интервала частоты вращения вентилятора базовой очистки. В связи с тем, что конструкции остальных очисток (схемы 2, 3, 5, 6) не предполагают увеличение подачи воздуха, а другие факторы, например, изменение направлений колебаний решета, оказывают незначительное влияние на энергоёмкость очистки, можно предположить, что их энергоёмкость, в сравнении с базовой, не изменилась.

Так как разработанные системы имеют различную конструкцию и массу, для их оценки целесообразно использовать интегральный показатель, в качестве которого можно взять коэффициент конкурентоспособности ма-

Таблица 2. Результаты расчёта интегрального

коэффициента конкурентоспособности машины

Схема очистки Масса комбайна, кг

Базовая 7320,0 -

Базовая

со щитками 7329,0 1,26

1 7445,5 1,20

2 7335,3 -

3 7326,2 1,66

4 7460,8 1,75

5 7359,0 1,61

6 7345,0 1,76

шины. По ГОСТ Р 53057-2008 его величина выше 1,3 свидетельствует о высоком уровне конкурентоспособности машины. Исходя из этого, наиболее конкурентоспособны (табл. 2) такие схемы, как очистка с самоустанавливаю-

щимся верхним решетом (схема 3), комбинированная очистка с решётно-винтовым сепаратором и самоустанавливающимся верхним решетом (схема 4), очистка с выравнивателем зернового вороха на верхнем решете (схема 5) и очистка с адаптером для склонов (схема 6).

Выводы. Таким образом, по результатам сравнительной лабораторной оценки разработанных систем очистки косогорного зерноуборочного комбайна наиболее конкурентоспособными признаны очистка с выравнивателем зернового вороха на верхнем решете (предполагаемый интегральный коэффициент конкурентоспособности машины равен 1,61), очистка с самоустанавливающимся верхним решетом (1,66), комбинированная очистка с решётно-винтовым сепаратором и самоустанавливающимся верхним решетом (1,75) и очистка с адаптером для склонов (1,76).

Литература.

1. Котов А.В., Чаус В.П. Совершенствование системы очистки зерноуборочного комбайна при уборке зерновых на склонах // Вестник Гомельского государственного технического университета им. П.О. Сухого. 2010. № 2 (41). С. 3-10.

2. Яшутин Н.В., Бивалькевич В.И. Предпосылки и направления совершенствования систем земледелия на Алтае в современных условиях // Организация рационального использования и охраны сельскохозяйственных земель Алтайского края в современных условиях: труды четвертой региональной науч.-практ. конф.: сборник статей. Барнаул: Алтайский государственный аграрный университет, 2001. С. 232-240.

3. New Holland eyes Harvest 14 // Prof International. Tractors and Farm Machinery. 2013. № 9. Pp. 8.

4. Leveling systems increase Harvest Productivity on Sidehills // Farm Equipment. 2011. № 10. Pp. 18-45.

5. Зерноуборочные комбайны/Г.Ф. Серый, Н.И. Косилов, Ю.Н. Ярмашев, А.И. Русанов. М.: Агропромиздат, 1986. 248 с.

6. Уркинбаев Д.И. Обоснование параметров системы стабилизации горизонтального положения решётного стана зерноуборочного комбайна, предназначенного для работы на склонах: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1993. 23 с.

7. Луговой В.П., Луговой Ю.В. Сепаратор зернового вороха для работы равнинных комбайнов на косогорах// Динамика узлов и агрегатов с.-х. машин. Ростов-на-Дону: РИСХМ, 1993. С. 44-47.

8. Луговой В.П., Гавриленко В. В. Сепаратор зернового вороха с динамическим побудителем //Динамика узлов и агрегатов с.-х. машин. Ростов-на-Дону: РИСХМ, 1993. С. 47-50.

9. Микая Т.В. Ветрорешётная очистка аксиально-роторного зерноуборочного комбайна // Тракторы и сельхозмашины.

1990. № 11. С. 17-19.

10. Ichikawa Tomohiko, Sugiyama Takao. Development of a New Combine Equipped with Screw Type Threshing and Separating Mechanisms// JARQ: Japan Agricultural Result Quart. 1986. Vol. 20. № 1. Pp. 31-37.

11. Сороченко С.Ф. Обоснование параметров решетно-винтового сепаратора в системе очистки зерноуборочного комбайна: автореф. дис.... канд. техн. наук. Барнаул, 1996. 21 с.

12. Bottinger S, Fliege L. Working performance of cleaning units of combine harvesters on sloped fields // Conference: Agricultural Engineering: Land-TechnikAgEng. 2011. Pp. 63-68.

13. Сороченко С.Ф. Повышение эффективности работы косогорного зернокомбайна за счет выравнивания системы очистки// Ползуновский Альманах. 2004. № 4. С. 140-141.

14. Сороченко С.Ф. Система очистки косогорного зерноуборочного комбайна с решетно-винтовым сепаратором и самоустанавливающимся верхним решетом// Ползуновский Вестник. 2005. № 2. С. 170-172.

15. Дрюк В.А. Параметры выравнивателя вороха на решетах очистки зерноуборочного комбайна: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Барнаул, 2006. 21 с.

16. Сороченко С.Ф., Рязанов А.В. Адаптер для работы на склонах// Сельский механизатор. 2010. № 5. С. 6.

17. ГОСТ 28301-2007. Комбайны зерноуборочные. Методы испытаний. М.: Изд-во Стандартинформ, 2010. 36 с.

18. Протокол № 01-38-91 (900060006) предварительных испытаний опытного образца экспериментальной очистки зерноуборочного комбайна СК-5 «Нива». Поспелиха: Алтайская государственная зональная машиноиспытательная станция,

1991. 19 с.

19. Сороченко С.Ф., Салеев Ф.И. Результаты исследований вентиляторов с дополнительным нагнетательным патрубком // Труды АлтГТУ. Вып. 6: Техника и технология зерна и плодов.1996. С. 194-198.

COMPARATIVE ANALYSIS OF CLEANING UNITS OF HILLSIDE COMBINE HARVESTER

A.A. Sitnikov, S.F. Sorochenko, V.A. Dryuk

I.I. Polzunov Altai State Technical University, prosp. Lenina, 46, Barnaul, 656038, Russian Federation Abstract. Harvesting of grain crops on sloped fields with combine harvesters of the standard configuration is characterized by excessive grain losses, most of which fall on a cleaning unit. Cleaning units for a hillside combine harvester, developed by the group of authors, differ in qualitative characteristics, design, and weight. The purpose of the research was to compare cleaning units and select the most competitive of them. The investigation was carried out under laboratory conditions at the lateral tilt of the laboratory setup at the 8-degree angle using a thrashed heap of wheat with 10-12 % moisture content and 30 % of straw impurity content. The following schemes were studied: cleaning unit with a spiral screen separator; cleaning unit with a two-section upper sieve; cleaning unit with a self-installing upper sieve; combined cleaning unit with both spiral screen separator and self-installing upper sieve; cleaning unit with grain heap spreader on the upper sieve; cleaning unit with adapter for slopes. The comparison was carried out with a cleaning unit of a third-class combine harvester. Various schemes of cleaning units were assessed by means of the integrated coefficient of competitiveness of the machine, calculated on the basis of the flow rate of the grain heap with grain losses of 0.5 % and the calculated weight of the combine harvester. The following schemes of cleaning units were identified as the most competitive: cleaning unit with grain heap spreader on the upper sieve (the supposed integral combine harvester competitiveness coefficient is 1.61), cleaning unit with the self-installing upper sieve (1.66), combined cleaning unit with both spiral screen separator and self-installing upper sieve (1.75), and cleaning unit with the adapter for slopes (1.76).

Keywords: combine harvester, cleaning unit, slopes, grain loss, competitiveness.

Author Details: A.A. Sitnikov, D. Sc. (Tech.), prof.; S.F. Sorochenko, Cand. Sc. (Tech.), assoc. prof. (e-mail: sorochenkosf@list.ru); V.A. Dryuk, Cand. Sc. (Techn.), assoc. prof.

For citation: Sitnikov A.A., Sorochenko S.F., Dryuk V.A. Comparative Analysis of Cleaning Units of Hillside Combine Harvester. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2017. Vol. 31. No. 3. Pp. (in Russ.).