Исследование поэтапного обмолота как элемента технологии послеуборочной обработки початков семенной кукурузы

Введение. В современных условиях хозяйствования Россия нуждается в качественной модернизации системы производства семенного зерна кукурузы. Это возможно только при условии совершенствования собственных механизированных технологий первичного семеноводства и семеноводства районированных гибридов кукурузы первого поколения. Такие технологии должны обеспечивать высокую культуру производства и максимально возможное качество посевного материала. Культура производства семенного зерна должна обеспечивать абсолютную чистоту гибридных линий, то есть смешивание партий обрабатываемого зерна в технологических линиях должно быть полностью исключено [1–3]. Качество посевного материала характеризуется не только результатами селекционной работы, но и количеством макро- и микроповреждений зерна. Если внешняя плодовая оболочка зерна даже локально разрушена, зародыш не сможет реализовать свой генетический потенциал урожайности. Причиной этого является нарушение водного микробиологического баланса во внутренних тканях зерна, что оказывает негативное влияние на зародыш. Стоит отметить, что зерно как биологическая система намного сложнее, чем мы думаем, а наши знания о нем весьма ограничены [4]. Нарушать целостность внешних и внутренних тканей зерна нельзя, поскольку это существенно снижает полевую всхожесть и соответственно урожайность.

Максимальное количество макро- и микроповреждений зерно кукурузы получает на этапе: загрузка сушилки початков → сушка → разгрузка сушилки → транспортировка на обмолот → подача в молотильно-сепарирующее устройство (МСУ) → обмолот [1]. Здесь более 50% зерна повреждается. Устранение этой проблемы требует таких технических и технологических решений, при которых исключаются экстремальные ударные воздействия на зерно в початках при погрузочно-перегрузочных и транспортных операциях, а рабочие органы МСУ будут обеспечивать адаптивное дифференцированное силовое воздействие.

Методика исследования. В исследовании использованы методы системного анализа и синтеза современной базы знаний по технологиям послеуборочной обработки початков

семенной  кукурузы  при  стационарной механизации получения посевного материала. Применены элементы построения эскизного проекта технологических линий. Реализованы принципы теории систем массового обслуживания с ограниченной очередью.

А к – длина контейнера; В к – ширина контейнера; Н к – высота контейнера; L Л – длина откидного лотка контейнера; φ ЕО – угол естественного откоса початков кукурузы;

β к – угол наклона днища контейнера; α к – угол наклона задней стенки контейнера Рисунок 1 – Эскиз защитного вентилируемого контейнера для початков кукурузы

А к – the length of the container; В к – the width of the container; Н к – the height of the container; L Л – the length of the folding tray of the container; φ ЕО – the angle of the natural slope of corn cobs; β к – the angle of inclination of the bottom of the container;

α к – the angle of inclination of the rear wall of the container

Figure 1 – Scheme of a protective ventilated container for corn cobs

Результаты исследования и их обсуждение. Разработка многоканальной системы поэтапного обмолота как элемента технологии послеуборочной обработки початков семенной кукурузы требует составления укрупненного эскизного проекта для комплекта технических средств, в котором початки в молотильное устройство подаются из защитных контейнеров.

Защитные вентилируемые контейнеры для початков семенной кукурузы должны быть конструктивно исполнены так, чтобы их разгрузка осуществлялась самотеком без падений початков с большой высоты. Для этого предлагается эскиз конструкции усовершенствованного контейнера (рисунок 1).

Контейнер выгружается самотеком при перемещении откидного лотка в рабочее положение и смещении передней стенки вверх на величину 250–300 мм. С точки зрения обеспечения простоты, удобства и эффективной эксплуатации размеры контейнера должны находиться в пределах: Ак = 1,2–1,4 м, Вк = 0,6–0,7 м, Нк = 0,8–0,9 м, LЛ = 0,6 м, βк = φЕО = 30°, αк = 15–20°. Увеличение размеров контейнеров допустимо, однако это делает их чрезмерно тяжелыми, что усложнит работу операторов.

^^^^.  – горячий теплоноситель;

– отработавший теплоноситель;

1 – контейнер; 2 – многоярусная рама; 3 – ворота; 4 – центральный канал подачи горячего теплоносителя; 5 – каналы подачи горячего теплоносителя к каждому контейнеру;

6 – купол для отвода отработавшего теплоносителя; 7 – центральный канал сбора отработавшего теплоносителя

Рисунок 2 – Технологическая схема многоярусной сушилки початков в контейнерах

– hotcoolant; С 2=^> – spentcoolant;

• 1    – container; 2 – multi-tiered frame; 3 – gate; 4 – central hot coolant supply channel;

• 5    – hot coolant supply channels to each container; 6 – dome for exhaust coolant discharge;

7 – central spent coolant collection channel

Figure 2 – Technological scheme of a multi-tier cobs dryer in containers

Масса початков в контейнерах рекомендуемых размеров не превышает 300–350 кг, что позволяет их легко загружать в многоярусную сушилку початков в контейнерах. Для работы с контейнерами вышеописанной конструкции предлагается технологическая схема многоярусной сушилки початков в контейнерах (рисунок 2).

В России кукурузу возделывают в 27 регионах, где под посевами кукурузы находится порядка 3 млн га, что в среднем на регион требует 112 тыс. посевных единиц (ПЕ) [5]. Следовательно, с учётом массы незерновой части урожая и некондиционного зерна в початках каждый регион должен самостоятельно перерабатывать на семена не менее 5500 тонн початков отечественных районированных гибридов. В этом случае полностью закрывается потребность в семенах без закупок из-за рубежа. Однако далеко не в каждом регионе есть кукурузокалибровочный завод или другое предприятие такой мощности [5]. Это актуальная проблема, которую необходимо решать в кратчайшие сроки.

При создании таких предприятий необходимо учитывать следующее. Объем убранных с поля початков семенной кукурузы, хранящейся во временных вентилируемых хранилищах (сапетках), необходимо полностью переработать до наступления морозов, следовательно, максимум за 2,5–3 месяца после уборки початков в поле [6]. При условии сушки одной партии не более двух суток для обработки массы початков 5500 тонн в течение 2,5–3 месяцев после уборки необходима минимум одна восьмимодульная сушилка, в каждый модуль которой загружается по 64 контейнера, вмещающего 300–350 кг початков. Следовательно, при каждой загрузке в сушилку помещают не менее 150 тонн початков в контейнерах. При этом в разные модули можно загружать различные гибриды или ботанические подвиды кукурузы и их смешивание будет исключено, что способствует повышению уровня культуры производства.

Оснастив контейнеры ходовой частью, их можно группами перемещать в пределах технологических линий посредством малогабаритных транспортно-погрузочных средств (рисунок 3). Для этого рекомендуется использовать складские самоходные вилочные погрузчики отечественного производства. Контейнеры посредством сцепки можно соединять в несколько рядов, что позволит их массово перемещать в линию поэтапного обмолота.

1 – контейнеры; 2 – складской самоходный вилочный погрузчик Рисунок 3 – Иллюстрация способа перемещения контейнеров

1 – containers; 2 – warehouse self-propelled forklift Figure 3 – Illustration of the method of moving containers

Непрерывность процесса обмолота обеспечивается многоканальной технической системой поэтапного обмолота

(МТСО). Технологическая схема одного канала МТСО представлена на рисунке 4.

1 – контейнеры; 2 – ориентирующе-дозирующий загрузочный аппарат; 3 – аксиально-роторное молотильно-сепарирующее устройство Рисунок 4 – Технологическая схема МТСО в варианте одного канала

1 – containers; 2 – orienting-dosing loading device; 3 – axial rotary threshing and separating device Figure 4 – Technological scheme of multi-channel technical threshing system in a single channel variant

Два и более параллельных канала МТСО представляют собой систему массового обслуживания с ограниченной очередью из контейнеров, поэтому эффективность работы системы прогнозируется уравнениями А.К. Эрланга и А.Н. Колмогорова [7–9]. Посредством данных уравнений определяется ряд показателей, среди которых наиболее значимыми являются вероятность предельного состояния системы (все каналы недогружены или перегружены), длина очереди из контейнеров и вероятность отказа системы в приеме контейнеров на обработку [7–9]:

- 1

n + 1

Р 0 =

1 + p + ^p + ... + ^p + ^p ■ 2!         n ! nn !

p

n

1 -

p

где р 0 – вероятность предельного состояния всей системы;

n – количество каналов, шт.;

m – количество мест в очереди, шт.;

λ – интенсивность входного потока контейнеров, конт./ч;

μ – интенсивность обслуживания контейнеров в МТСО, конт./ч;

Р отк – вероятность отказа в обработке контейнеров;

L оч – количество контейнеров в очереди на обработку, шт.

В связи с этим возникает необходимость в анализе работы МТСО по данным показателям с целью определения рационального количества каналов для работы с контейнерами предложенной конструкции и размера.

Минимизация макро- и микроповреждений зерна при обмолоте достигается применением аксиальнороторных молотильно-сепарирующих устройств (МСУ), оснащенных многоступенчатой системой «ротор – дека» с адаптивными рабочими органами, способными дифференцировать интенсивность силового воздействия на зерно. МТСО обеспечивает принцип поэтапного обмолота, предполагающий последовательное выполнение первичного, начального, основного этапа обмолота и домолота початков кукурузы.

Первичный этап осуществляется в процессе разгрузки початков из защитного вентилируемого контейнера, перемещения по откидному лотку, движения по рабочему органу многоручьевого ОДЗА, а также подачи параллельно оси ротора в приемный лоток МСУ.

Начальный этап реализуется в первой секции аксиально-роторного МСУ при взаимодействии с разрезным шипованным конусом деки, выполненным в виде четырех подвижных подпружиненных участков.

Основной этап обмолота протекает во второй удлиненной секции МСУ под действием двухзаходной навивки ротора и шипованной пневмоадаптивной деки.

Домолот реализуется в третьей укороченной секции МСУ под действием четырехзаходной навивки ротора и шипованной пневмоадаптивной деки. Конструктивные особенности предлагаемых технических решений для МТСО подробно описаны нами в источниках [10, 11].

Все четыре этапа обмолота являются операциями обработки початков с забором из контейнеров и определяют интенсивность процесса.

В рамках обеспечения простого потока Пуассона в данных исследованиях сравнивалась двух- и трехканальная МТСО при равных условиях функционирования, заключающихся в следующем:

– обрабатывается 22 контейнера в час;

– производительность одного канала – 11 контейнеров в час;

– пропускная способность ОДЗА и МСУ – не менее 1,0 кг/с;

– масса початков в одном контейнере – 300 кг;

– продолжительность непрерывной работы МТСО в смену – 6 часов;

– количество рабочих смен в сутки – 3;

– при обработке партии в 150 тонн початков количество рабочих суток – 2;

– общее количество рабочих смен на обработку партии – 6, в том числе 4 – на обмолот, 1 – на полную очистку всего оборудования от продуктов обмолота конкретного гибрида и мусора, а также 1 смена – на техническое обслуживание, настройку и переналадку на конкретный ботанический подвид кукурузы;

– часть пятой смены резервируется на обработку контейнеров, которые в результате незапланированных простоев МТСО были не обработаны в первые 4 смены.

При данных условиях согласно (1) вероятность того, что в двух- и трехканальной системе   все каналы недогружены или перегружены – менее 10% и обеспечивается простейший входной поток из контейнеров или поток Пуассона. В связи с этим возникает необходимость в анализе данных МТСО по показателям длины очереди из контейнеров и вероятности отказа в приеме контейнеров на обработку. Анализ также проведен по модели (1) и графически интерпретирован на рисунке 5.

Рисунок 5 – Результаты анализа работы двух- ( n = 2) и трехканальной ( n = 3) МТСО по взаимосвязи количества мест в очереди и вероятности отказа в приёме контейнеров на обработку

Figure 5 – Results of the analysis of the operation of two- ( n = 2) and three-channel ( n = 3) MTTS in terms of the length of the queue from containers and the probability of refusal to accept containers for processing

Из рисунка 5 видно, что двухканальная система только при 5–7 контейнерах в очереди переходит в режим, когда вероятность отказа системы в приеме контейнеров на обработку находится в пределах 10%. Следовательно, и входной поток, и поток обработки можно считать стационарным [7, 12].

( ц — m )ⁿ Р =           - e ^—'

n !

Такая длинная очередь ( m =  6

контейнеров в каждом канале) значительно усложняет организацию производства, а поэтому двухканальная МТСО может считаться неэффективной.

Трехканальная МТСО даже при двух контейнерах в очереди обеспечивает простейшие потоки входа и обработки, а при трех контейнерах в очереди вероятность отказа становится менее 6%. В данном случае следует говорить не о согласованности входного потока и потока

Поток обработки будет ординарным, если в каждый канал двухканальной МТСО подается μ = 11 контейнеров в час и минимум m = 6 из них будут некоторое время находиться в очереди, тогда вероятность попадания на малый участок времени двух контейнеров

( η = 2) менее 10%:

a = (11 ^— 6)  - e _₍₁₁ - ₆₎ =      ₈ .

2!

обработки, а о запасе из контейнеров, минимизирующем организационные простои системы. В результате такая организация контейнерной системы погрузочноперегрузочных, транспортных работ и сушки, а также поэтапного обмолота с забором початков из контейнеров посредством трехканальной МТСО создаст рациональные условия для минимизации повреждений семенного зерна и исключит смешивание гибридных линий при обработке различных партий кукурузы.

В качестве рекомендации производству следует отметить следующее: увеличение количества каналов МТСО более трех допустимо в случае необходимости повышения объёма производства или сокращения времени обработки всего урожая при поздних сроках уборки початков.

Выводы

• 1.    Для полного обеспечения сельскохозяйственных производителей семенами районированных гибридов кукурузы первого поколения все 27 регионов России, производящих зерно кукурузы, должны быть оснащены минимум одним кукурузокалибровочным заводом, способным перерабатывать не менее 5500 тонн початков в сезон. На этих кукурузокалибровочных заводах целесообразно реализовать контейнерную систему погрузочно-перегрузочных, транспортных операций и сушки початков, а также принцип поэтапного обмолота посредством МТСО.

• 2.    Реализация данного подхода требует применения специальных защитных вентилируемых контейнеров предложенной конструкции с размерами А к = 1,2–1,4 м, В к = 0,6–0,7 м, Н к = 0,8–0,9 м, L Л = 0,6 м, β к = φ ЕО = 30°, α к = 15–20°.

• 3.    Обеспечив длительность сушки одной партии не более двух суток, для обработки массы початков 5500 тонн в течение 2,5–3 месяцев после уборки необходима одна восьмимодульная сушилка, в каждый модуль которой загружается по 64 контейнера, вмещающего 300–350 кг початков. Тогда каждые двое суток будет обрабатываться не менее 150 тонн початков.

• 4.    Обработка партий высушенных початков объемом 150 тонн в трехканальной МТСО будет осуществляться непрерывно на протяжении четырех смен продолжительностью шесть часов каждая при потоке контейнеров, согласно закону Пуассона. При этом оставшиеся две смены позволяют осуществить полную очистку

• 5.    Трехканальная МТСО эффективно работает в условиях, когда предлагаемый способ     перемещения     контейнеров

всего оборудования от продуктов обмолота конкретного гибрида и мусора, а также провести техническое обслуживание, настройку и переналадку на конкретный ботанический подвид кукурузы.

обеспечивает интенсивность входного потока

• 22 контейнера в час, каждый канал потенциально способен обрабатывать не менее

• 11 контейнеров в час. В данных условиях вероятность того, что в трехканальной системе все каналы недогружены или перегружены – менее 10% и даже при двух контейнерах в очереди обеспечивает простейшие потоки входа и обработки, а при трех контейнерах вероятность отказа в приеме контейнеров на обработку становится менее 6%.