Разработка и совершенствование методов обоснования технологии комбайновой уборки зерновых колосовых культур очесом

Введение . За последние годы в России достигнуты значительные успехи в увеличении производства зерновых колосовых, в особенности основной продовольственной культуры – озимой пшеницы. Однако, несмотря на государственную поддержку сельского хозяйства страны, которая по сравнению с поддержкой села в развитых странах Запада остается весьма низкой, основная масса сельхозпредприятий испытывает нехватку зерноуборочных комбайнов, что приводит к увеличению продолжительности уборочных работ до 20–30 дней вместо 7–10 рекомендуемых. Вследствие увеличения продолжительности пребывания хлебов, достигших полной спелости на корню, потери зерна осыпанием к окончанию уборки составляют от 10 до 30% и более [1]. На рисунке 1 приведены данные по потерям зерна озимой пшеницы и ячменя осыпанием от продолжительности пребывания на корню, полученные нами в 2014 году.

Наряду с потерями зерна осыпанием было отмечено существенное снижение его качества, так как при нехватке комбайнов, стремясь сократить продолжительность уборки, часто не соблюдают режимы их работы [2, 3]. Для уборки зерновых культур в рекомендуемые агросроки комбайновый парк страны необходимо увеличить в 2 раза, на что потребуется от 700 до 1000 миллиардов рублей. При внедрении уборки оче- сом производительность комбайнов увеличивается в 1,5–2 раза, на 35–50% снижается расход топлива. За счет сокращения сроков уборки снижаются потери зерна осыпанием, удается сохранить его качество по содержанию белка, клейковины и по другим характеристикам.

Снизить потери зерна и сохранить качество при уборке можно увеличением комбайнового парка либо приобретением очесывающих жаток к уже имеющемуся парку комбайнов, если внедрить технологию уборки зерновых колосовых культур комбайновым очесом. Однако при внедрении этой технологии возрастают потери зерна за очесывающими жатками из-за несовершенства их конструкции, слабой адаптации к разнообразию характеристик убираемого хлебостоя. Достигнутое за счет внедрения очеса повышение производительности комбайнов, приводящее к увеличению от них потока зерна, может быть сведено на нет из-за неудовлетворительного планирования и организации работы всего уборочно-транспортного комплекса (УТК). После комбайнового очеса на поле остаются стебли очесанных растений, создающие благоприятные условия для снижения потерь влаги в летние послеуборочные месяцы и способствующие снегозадержанию в зимний период, но в ряде случаев при подготовке полей для отдельных видов культур, требующих выполне- ния дополнительного объема работ, оказывают влияние на эффективность функционирования всего МТП сельхозпредприятия. Из сказанного становится очевидной необходимость разработки и совершенствования совокупности методов, направленных на решение задач, возникающих при проектировании и внедрении технологии комбайновой уборки зерновых колосовых культур очесом. В данной статье приведены основные положения обоснования техноло гии и результаты их реализации.

Методы исследований. При разработке вариантов технологии уборки зерновых культур очесом использовали методы анализа и синтеза систем. Описание процесса очеса зерновых культур построено на основе методов аналитической механики. Вычислительные процедуры при определении параметров и режимов очесывающего устройства выполняли численными методами. При описании функционирования уборочно-транспортных групп и комплексов применяли положения теории марковских случайных процессов с реализацией моделей на основе аналитических методов, статистического моделирования и теории кусочно-линейных агрегатов. Математическая модель определения оптимального состава МТП построена с использованием методов линейного программирования ветвей и границ специальных логических конструкций. Критерий оценки эффективности «совокупные затраты» принят в соответствии с ГОСТ Р 53056-2008. При обработке данных экспериментальных исследований и изучении физико-механических характеристик растений убираемых культур применяли традиционные статистические методы, регрессионный анализ. Натурные эксперименты выполняли путем моделирования процесса очеса на специально разработанной лабораторной установке, а также в полевых условиях с использованием зерноуборочных комбайнов, агрегатируемых с опытными образцами очесывающих жаток.

Рисунок 1 - Зависимость среднего значения величины потерь осыпанием зерна озимой пшеницы сортов «Гром», «Донской простор» и ярового ячменя сорта «Ратник» в 2014 г.

Результаты исследования и их обсуждение. В результате анализа применяемых на практике различных вариантов технологий, в том числе и имеющегося опыта уборки очесом, разработали схему выбора технологий уборки и послеуборочной обработки зерновых колосовых с учетом погодных условий и состояния хлебостоя (рисунок 2).

Отличительные особенности уборочных процессов - это их зависимость от складывающихся погодных условий, необходимость изме- нения режимов и параметров уборочнотранспортных групп, вызванная их перемещением с поля на поле, каждое из которых может существенно отличаться величиной урожайности выращенной культуры, состоянием хлебостоя, удаленностью от зернотоков. В зависимости от направления деятельности хозяйства, наличия в нем животноводческой отрасли, ее вида, в качестве побочной продукции может быть использована незерновая часть урожая (НЧУ): полова или солома на корм или подстил- ку. Поэтому, наряду со специфическими особенностями технологии уборки очесом, необходимо учитывать и перечисленные ранее. Предлагаемая технология должна быть гибкой, легко трансформируемой в один из ее вариантов, либо возвращаться к традиционной, позволяющей например, более качественно осуществлять уборку сильно или полностью полеглых хлебов. Кроме того, при ее реализации желательно достичь максимально возможного повышения производительности самой лимитирующей группы технических средств в составе УТК - зерноуборочных комбайнов при минимальном изменении типажа других машин, входящих в его состав.

Рисунок 2 - Схема выбора технологий уборки и послеуборочной обработки зерновых колосовых с учетом погодных условий и состояния хлебостоя

На рисунке 3 представлены возможные основные варианты структурных схем технологий уборки зерновых культур. Анализ представленных вариантов позволяет сделать вывод, что при реализации технологии «комбайновый очес» соблюдаются практически все сформулированные выше требования.

Так, при переходе от традиционной технологии к предлагаемой необходимо прямоточную жатку сплошного среза заменить на очесывающую. Все остальные типы машин, входящие в состав УТК, остаются неизменными (рисунок 4). Анализ качества функционирования выпускаемых предприятиями очесывающих жаток показал их неудовлетворительную адаптацию к условиям и характеристикам убираемого хлебостоя, что вызывает повышенные потери зерна за ними, снижения которых можно достичь пу- тем разработки методов проектирования очесывающих устройств и правил их эксплуатации в реальных условиях сельхозпредприятий.

Как следует из анализа технологических схем, представленных на рисунке 4, основные операции и технические средства для их реализации при традиционной и разрабатываемой технологии идентичны.

Очевидно, что для определения техникоэксплуатационных показателей машин могут быть применены одни и те же методы. Это позволит при внедрении технологии уборки очесом учитывать влияние увеличения производительности основного звена уборочно-транспортных групп на изменение количественного состава машин последующих звеньев и их техникоэксплуатационные показатели.

Зерно

Ворох

Влажное фуражное зерно

Транспортирование зерна

Закладка в траншей

Плющение консервация

Закладка в рукава

Закладка в траншеи

Закладка в рукава

Плющение консервация

Транспорт-

>о ванне вороха

Без сбора половы 7" г—

Комбайновый оч^с _ г .... Транспортирование зерна

Сушка зерна

Подработка, очистка.зерна

Очксломолот выделение крупных фракций НЧУ

Транспортирование вороха --г.. _ Разделение вороха

Подработка и очистка зерна ‘ I Складирование зерна

Очистка семян Закладка семян

1 Инерционно очесный РОҢОЛРТ Транспортн- рованне зерна

Консервированное зерно с половой

Консервированное зерно

Транспортир ровакне по-рвь,__ Закладка-половы на хранение фуражное зерно

I Со сбором е тз-гпл/т

ПОЛОВЫ влажность <20%

Селекция зерновых

Зерно кондиционной влажности

Очес .домолот выделение крупных

Семена зерновых

Комбайновый очес

Полова

Рисунок 3 – Варианты и структура технологий уборки зерновых колосовых культур очесом в условиях России

Рисунок 4 – Основные операции и типы технических средств, применяемые при комбайновой уборке зерновых культур

Оценку эффективности разрабатываемой технологии в сравнении с традиционной предложено осуществлять путем определения совокупных затрат на выполнение всего объема механизированных работ в полеводстве оптимальными МТП типового хозяйства. Принятый критерий оценки включает эксплуатационные затраты, величину убытков от потерь зерна осыпанием и снижения его качества, от времени продолжения пребывания на корню с момента достижения полной спелости, от потерь зерна за уборочными агрегатами, от нарушения требований экологии и несоблюдения условий труда и техники безопасности. Предложенный ме- тод технико-экономической оценки до настоящего времени не был реализован ввиду огромного объема проводимых вычислений и отсутствия компьютерных программ для их автоматизации. Наиболее близким по возможности решать задачи подобного уровня является ал-горитмно-программный комплекс: «Система автоматизированного проектирования механизированных технологий и технического оснащения растениеводства (АСПТОР)» [4]. При его доработке были внесены изменения, позволяющие учитывать величину перечисленных выше убытков, а при целочисленном решении выполнять округление не энергомашин, а агрегатов в целом. Для корректировки годовой загрузки машин, которая на первом шаге решения принимается нормативной, введен итерационный метод поиска оптимума. При его реализации, после получения очередного решения, годовую загрузку сравнивают с предыдущей, и останавливают поиск оптимума в том случае, когда разность между ними не превышает допустимых значений.

Так как величина естественных потерь зерна изменяется с увеличением продолжительности уборки, поиск оптимальных МТП, в которые включены комплексы машин для сравниваемых технологий, выполняли, изменяя продолжительность уборочных работ, начиная с рекомендуемой, пошагово увеличивая ее на один день в каждом последующем решении. Ниже представлены основные положения разработанных и усовершенствованных методов обоснования разрабатываемой технологии, включающих исследование процесса очеса зерновых культур, определения количественного состава и технико-эксплуатационных показателей машин, входящих в состав уборочнотранспортных групп и комплексов, определения эффективности ее внедрения с учетом последействия на эффективность функционирования всего МТП хозяйства. Из сказанного выше следует, что при разработке методов исследования процесса очеса зерновых культур жаткой особое внимание надлежало уделить причинам, вызывающим потери зерна, зоны возникновения которых приведены на рисунке 5.

I - зона потерь при взаимодействии колоса растения с наружной поверхностью обтекателя; II - зона потерь выбрасыванием вперед по ходу жатки; III - зона потерь проходом через зазор между барабаном и ложем шнека; b - угол начала очеса; wt - угол поворота зуба с зерновкой; е - угол движения зерновки по транспортирующему каналу; h - ширина канала в сечении S Рисунок 5 - Зоны потерь и взаимодействия очесываемого растения и продуктов очеса с рабочими органами очесывающей жатки

Причины, вызывающие потери зерна на обтекателе, - это свойства и характеристики убираемых растений: влажность, слабая жесткость стеблей зерновых колосовых культур, степень связи зерна с колосом, ярусность (не- равномерность по высоте), информация о варьировании которых изложена в [5, 6], а также форма наружной поверхности обтекателя, величина угла его наклона и свойства материала, из которого он изготовлен. При разработке ма- тематической модели на первом этапе рассмотрели процесс удара колоса о поверхность обтекателя и сравнения полученной им кинетической энергии до и после удара с величиной работы, необходимой для выделения зерна из колоса. На втором этапе колос растения движется по поверхности обтекателя. Сила, прижимающая его к поверхности обтекателя, определяется упругими свойствами и количеством стеблей, находящихся впереди по ходу движения. Чем выше коэффициент трения колоса о поверхность обтекателя, тем больше сила трения, способная оторвать чешуйку от колоса и вызвать тем самым потери зерна [7]. Величину силы, необходимую для отрыва чешуйки от колоса, определяли на специально созданной лабораторной установке.

В зоне II происходит взаимодействие растения с очесывающими зубьями жатки. Величина угла начала очеса b, как видно из рисунка 5, зависит от длины стебля растения, угла его наклона к поверхности поля, высоты расположения очесывающего барабана и его диаметра. Для того чтобы произошло разрушение колоса или его отрыв от стебля, необходим достаточный импульс силы, величина которого зависит от радиуса из центра барабана до точки на зу- бе, в которой происходит удар. При наклоне стебля к поверхности зуба в пределах угла трения происходит отскок зерен, и они будут двигаться в транспортирующем канале, а скорость и направление их движения можно определить на основе гипотезы сухого трения. Если отскоку зерен препятствовали стебли или колосья других растений, они будут двигаться по зубу, повернувшись за время движения на угол ωt. Направление скорости движения зерен после схода с зуба определяется путем сложения скоростей движения по зубу и во вращательном движении. Так как скорость воздушного потока в транспортирующем канале зависит от его параметров, конструкции и скорости вращения очесывающего барабана, то при известных ширине и форме транспортирующего канала, вероятность попадания зерна в ложе интегрирующего шнека без потерь будет зависеть от места его отскока или схода с зуба, параметров движения после схода и скорости воздушного потока. Изложенные положения послужили основой для разработки математической модели процесса очеса зерновых культур очесывающей жаткой [7-9], логическая схема которой приведена на рисунке 6.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОЧЕСЫВАЕМЫХ РАСТЕНИЙ С ОБТЕКАТЕЛЕМ ЖАТКИ

I

МОДЕЛЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

КОМПОНЕНТА ВОРОХА ПОСЛЕ КОНТАКТА С ЗУБОМ

I

МОДЕЛЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ КОМПОНЕНТА ВОРОХА ПО ЗУБУ

I                                                                                                                                                                                                                     --------------------------------------------------

МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ КОМПОНЕНТА ВОРОХА

В КАНАЛЕ ПОСТОЯННОЙ ШИРИНЫ

I

МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ КОМПОНЕНТА ВОРОХА В РАСШИРЯЮЩЕМСЯ КАНАЛЕ

МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПОНЕНТА ВОРОХА С ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ОБТЕКАТЕЛЯ

1                                                            --------------

МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ КОМПОНЕНТА ВОРОХА ПО КАНАЛУ ПОСЛЕ ОТСКОКА ОТ ВНУТРЕННЕЙ

ПОВЕРХНОСТИ ОБТЕКАТЕЛЯ

"                                                                                                                                 'I'

МОДЕЛЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕЙ СКОРОСТИ ВОРОХА

Рисунок 6 - Логическая схема математической модели процесса очеса зерновых культур однобарабанной жаткой

Модель процесса очеса включает также разработанный ранее модернизированный математический аппарат. Выполненные на математической модели исследования позволили выявить технические и технологические несовершенства конструкций, реализуемых на рынке очесывающих жаток, и послужили основой для разработки новых способов и устройств, защищенных пакетом из 18 патентов РФ. Теоретические результаты апробированы также путем сравнения с результатами, полученными при проведении натурных экспериментов на лабораторной установке и в условиях производственной проверки, выполненной на уборке зерновых культур и льна масличного в ИП КФХ «Чехов» Целинского района Ростовской области.

Для определения параметров и режимов работы УТК по технологии уборки зерновых колосовых культур очесом предложено использовать разработанные ранее пакеты алгоритмов и программ, позволяющие в реальном времени контролировать режим их работы, прогнозировать складывающуюся ситуацию для заблаговременного принятия решений по корректировке составов транспортных групп, обеспечивающих бесперебойную работу комбайнов. На рисунке 7 представлена структурная схема универсальной специализированной системы имитационного моделирования (УССИМ) сборочно- и распределительно-транспортных процессов, реализованная на основе теории кусочно-линейных агрегатов.

Рисунок 7 – Структурная схема специализированной системы имитационного моделирования сборочно- и распределительно-транспортных процессов

Разработанная система имеет три библиотеки:

Б 1 – библиотеку функциональных связей между агрегатами для каждой технологии;

Б 2 – библиотеку модулей-агрегатов технологий;

Б 3 – библиотеку исходных данных.

Библиотеки формируют через входы 2 и 3 с помощью блоков 2 и 3 управляющего ядра.

Постановка эксперимента начинается по команде входа 1. Блок 1, пользуясь библиотеками Б1 и Б2, создает в оперативной памяти ЭВМ машинную модель технологии. Блок 4 подготавливает для нее начальные значения. Блок 5 производит моделирование заданное число раз. Блок 6 выполняет статистическую обработку опытов. Блок 7 планирует дальнейшее проведение эксперимента.

На рисунке 8 приведена укрупненная блок-схема алгоритма функционирования УТК по различным вариантам организации убороч- но-транспортных процессов, реализованная на основе метода статистического моделирования.

Рисунок 8 - Укрупненная блок-схема алгоритма функционирования УТК по различным вариантам организации уборочно-транспортных процессов

Более подробно ознакомиться с разработанными методиками и логико-математическими моделями можно в работах [10-12].

Для оценки влияния внедрения технологии комбайновой уборки зерновых культур на эффективность функционирования МТП сельхозпредприятия в полеводстве доработан ранее созданный в институте алгоритмно-програм- мный комплекс АСПТОР [4]. В модернизированном варианте введен механизм корректировки годовой загрузки машин и учета величины биологических потерь зерна и суммарных потерь за уборочными агрегатами, а при получении целочисленного решения выполняется округление до целых количества агрегатов (рисунки 9,10).

Рисунок 9 – Блок-схема алгоритма полностью целочисленной оптимизации машинно-тракторного парка

Объем потерь зерна складывается из двух составляющих:

• 1)    потери вследствие осыпания из-за превышения нормативных сроков уборки;

• 2)    технологические потери.

Уровень этих потерь устанавливается экспериментально, в процессе проведения опытов и испытаний с применением соответствующих методик.

В результате устанавливаются поправочные коэффициенты к величине урожайности культур:

нач     срок     техн

Уf Уf   Кf    Кf , где f – индекс культуры;

• У ^нач – предварительно определенная урожайность, т/га;

К ^срок – коэффициент потерь вследствие продления уборки на соответствующий срок;

К ^техн – коэффициент технологических потерь.

Аналогичные исследования выполнили для условий 2014–2015 гг., учитывающих изменение закупочных цен на сельхозпродукцию и сельскохозяйственную технику.

Более подробно результаты этих исследований приведены в [12]. Здесь лишь отметим, что увеличение закупочных цен на зерно и цен реализации на поставляемую технику в 2016 году вызвало рост совокупных затрат и капитальных вложений. Во всех вариантах применение технологии высокоинтенсивной комбайновой уборки зерновых культур экономически более выгодно в сравнении с традиционной. Однако оптимальная продолжительность проведения уборочных работ изменяется.

Рисунок 10 – Блок-схема алгоритма для определения и корректировки годовой загрузки средств механизации

В условиях 2014 г. минимум совокупных затрат при уборке очесом мог быть достигнут при продолжительности уборки 11 дней, в 2015 году – 10 дней, а в условиях 2016 года – 9 дней. При этом совокупные затраты на выполнение всего объема механизированных работ в поле- водстве при внедрении предлагаемой технологии ниже на 16,2%, капитальные вложения в технику сокращены с 182185,3 до 140370,4 тыс. рублей, а чистый дисконтированный доход увеличен на 56882 тыс. рублей (таблица).

Показатели эффективности выполнения всего объема механизированных работ в полеводстве МТП типового хозяйства юга Ростовской области площадью пашни 5000 га при проведении уборки зерновых культур по традиционной технологии (база) и комбайновым очесом (в ценах на зерно и технику на 01.08. 2016 г.)

Дней уборки	Количество комбайнов, шт.		Совокупные затраты, тыс. руб.		Капитальные вложения, тыс. руб.		ЧДД, тыс. руб.
	база	очес	база	очес	база	очес	база	очес
9	10	7	45517,2	38128,9	182185,3	140370,4	515456,6	572339
10	10	6	45929,6	38933,9	172398,6	131814,7	521014,8	576546,1
11	9	6	46581,3	40689,8	161307,8	131825,1	527612,1	572045,9
12	9	5	47313,2	41552,1	152769,6	122071,4	531746,3	577222,7
13	8	5	48848,8	43337,0	152567,4	121869,2	527560,5	572768,6
14	8	5	50055,7	46142,9	143306,6	129938,7	530957,7	558426,8
15	7	5	51827,8	48469,6	142636,6	131511,6	527025,7	552023,7
16	7	5	52797,4	49509,2	132709,8	121720,2	531135,9	555956,3
17	6	5	54745,2	51160,3	132913,2	119618,2	526194,6	553071,1
18	6	4	55829,9	53299,0	125061,7	120169,1	528733,5	546655,1
19	6	4	57900,2	55022,7	126056,7	117483,5	523131,3	544329,1
20	5	4	59799,5	56334,3	125047,6	108630	519457,4	548230,1

Заключение. Основными причинами необходимости научного обоснования и дальнейшего развития технологии уборки очесом являются весьма большие потенциальные возможности, реализация которых позволит решить проблемы, связанные с низким уровнем кредитоспособности сельхозпредприятий, и, как следствие, недостаточной обеспеченностью техникой для выполнения уборочных работ.

Операции, реализуемые комбайном при уборке зерновых очесом, являются той частью технологического процесса, при выполнении которой режимы функционирования его рабочих органов существенно отличаются от их режимов работы при обмолоте всей выращенной массы хлебостоя. На их выполнение затрачивается время основной работы. Операции выгрузки зерна из бункера комбайна, маневры при поворотах в загоне, замена груженых прицепов на порожние при двухфазной уборке являются вспомогательными и не имеют отличия ни по существу, ни по продолжительности их выполнения при уборке комбайном, снабженным жаткой сплошного среза. Однако, ввиду значительного сокращения времени, затрачиваемого на выполнение основной операции, существенно повышается производительность основного уборочного звена, вследствие чего транспорт- ное звено и стационарный пункт приема зерна должны обеспечивать реализацию его возросших потенциальных возможностей.

Особые требования предъявляются к типажу уборочных машин и конструктивному исполнению наклонных камер, с помощью которых осуществляют их агрегатирование с очесывающими жатками. Типаж бункеров-накопителей транспортных средств, механизмов и машин, обеспечивающих бесперебойный прием намолоченного зерна, остается неизменным и определяется исходя из наличия техники и экономической целесообразности её применения.

Выводы. Предложенный метод сравнительной технико-экономической оценки эффективности технологии высокоинтенсивной комбайновой уборки зерновых колосовых культур очесом с традиционной отвечает современным рыночным условиям, так как позволяет выбрать технологию, обеспечивающую максимальную рентабельность производства и обосновать параметры и режимы её функционирования.

Внедрение разработанной технологии высокоинтенсивной комбайновой уборки зерновых колосовых культур очесом, в сравнении с традиционной в типовом хозяйстве юга Ростовской области с учетом цен на произведенную продукцию и сельскохозяйственную технику в

2016 г., обеспечивает снижение совокупных затрат на 16,2%, капитальных вложений в технику с 182185,3 до 140370 тыс. рублей, увеличение чистого дисконтированного дохода на 56882 тыс. руб.