Результаты адаптации конструкции комбайна к работе с очесывающей жаткой

Производство зерна является одним из краеугольных камней сельского хозяйства. Вместе со всей экономикой страны отрасль пережила в конце прошлого века период институциональных преобразований. Они на первом этапе привели к значительному уменьшению как объемов производства, так и уровня его рентабельности [1]. К началу нового столетия процесс трансформации завершился и зерновое производство стало возрождаться на современных технологических и технических основах. В результате в 2020 году объем производства зерна увеличился в 1,26 раза (133,5 млн т), а его урожайность в 2 раза превысила уровень наиболее благополучной советской пятилетки (1976–1980 гг.) [2].

Очевидно, что за прошедшие десятилетия технический потенциал советского периода был полностью израсходован, и встал вопрос об обеспечении зернового производства уборочной техникой. Сначала проблема решалась за счет увеличения импорта зерноуборочных комбайнов из Европы и США при заметной деградации традиционных российских производителей. Так «Красноярский завод комбайнов» практически прекратил свою деятельность, а завод «Ростсельмаш» резко сократил объемы производства. При этом в стране появились новые предприятия, базирующиеся на поставках зарубежных комплектующих. В первую очередь это завод «Брянсксельмаш» и филиал немецкой фирмы CLAAS в Краснодарском крае. В результате в 2019 году «Ростсельмаш» произвел 3 958 комбайнов (78,8 % от общероссийского выпуска), «Брянсксельмаш» 526 (10,4 %) и «Клаас Восток» 450 (8,9 %).

Том 32, № 2. 2022

Следует отметить, что комбайны нового поколения во много раз производительней своих советских предшественников. Комбайн RSM-161 может намолотить 40 т зерна за час, а за сезон убрать урожай с площади до 2 000 га. Для сравнения: комбайн предшествующего поколения Дон-1500Б мог достичь намолота только в 14 т/ч. То есть уменьшение числа комбайнов компенсируется значительным ростом их производительности.

Проблема, однако, заключается в том, что для эффективной работы высокопроизводительному комбайну требуется соответствующий агрофон. Фирма CLAAS рекомендует использовать свой самый мощный комбайн LEXION (производительностью до 60–70 т/ч) при урожайности, превышающей 70 ц/га. Понятно, что при средней урожайности российских полей 20–25 ц/га такая высокопроизводительная техника не окупается. Ряд отечественных ученых считают, что при высоком уровне дифференциации урожайности по территории страны проблема оптимизации ассортимента зерноуборочной техники может быть решена, в частности путем перехода на семь классов комбайнов с варьированием пропускной способности молотилки от 3 до 12 и выше кг/с1 [3; 4]. Вторым вариантом адаптации комбайна к работе при минимальной урожайности можно считать ее раздельный вариант уборки с использованием валковых жаток порционного типа [5; 6].

Важнейшей проблемой при уборке зерна является энергоемкость обмолота. Существенно уменьшить ее уровень (в 1,4-2,0 раза) позволяет использование технологии очеса растений на корню [7–9]. Это обусловлено тем, что, как установил еще М. А. Пустыгин,

Vol. 32, no. 2. 2022 порядка 70 % потребляемой мощности молотильный барабан расходует на деформацию и перетирание массы в молотильном зазоре².

Широкое внедрение технологии очеса сдерживается, во-первых, незавершенностью оптимизационных работ по конструкции очесывателей [10–12]. Во-вторых, конструкция молотилки зерноуборочных комбайнов не приспособлена к приему и обработке очесанного зернового вороха, поскольку в молотильный зазор поступает 80 и более процентов свободного зерна, которое подвергается ударному воздействию, вследствие чего резко возрастает доля дробленой продукции [13–15]. Кроме того, на это негативное технологическое воздействие расходуется значительная часть мощности, потребляемой барабаном [16; 17]. В связи с этим актуальной теоретической и практической задачей становится адаптация конструкции комбайна к обработке очесанного зернового вороха.

Цель исследования – разработать техническое решение и экспериментально подтвердить возможность осуществления предварительной сепарации свободного зерна из очесанного зернового вороха до поступления его в молотильную камеру зерноуборочного комбайна.

Обзор литературы

В первую очередь целесообразно зафиксировать состав очесанного зернового вороха, с которым предстоит работать молотилке зерноуборочного комбайна. По данным разных авторов, содержание в нем свободного зерна (по массе) варьируется в пределах от 60 до 85 %, оборванных колосков 10–25 % и соломистых компонентов от 7 до 25 % [15]. С ростом частоты вращения ротора можно увеличить долю свободного зерна в ворохе, но при этом возрастает и степень его дробления [14].

При этом даже у одного исследователя на разных полях доля свободного зерна в ворохе варьировалась от 69,4 до 82,7 % [7].

Широкие пределы варьирования параметров очесанного вороха обусловлены разнообразием конструкции жатки, параметров и режимов ее рабочих органов, а также состояния агрофона. При этом в инженерной среде все еще обсуждается вопрос о выборе однобарабанной или двухбарабанной конструктивной схемы очесывателя. Тем более нет пока и единства в понимании оптимальной конструкции очесывающих гребенок. В жатке CVS фирмы Shelbourne Reynolds профиль канала между зубьями имеет форму «замочной скважины», тогда как у жатки «ОЗОН» (ПАО «Пенз-маш») он имеет постоянную ширину. При этом исследования М. А. Федина подтвердили преимущества гребенки с тангенциальными каналами [10; 18].

Определенный интерес с точки зрения увеличения эффективности работы очесывателя представляет гипотеза, сформулированная В. Ю. Савиным, что очесывающей гребенке целесообразно сообщить поперечные колебания [19]. Автор предложил несколько вариантов конструктивных решений, реализующих указанный принцип [20; 21]. При соответствующей доработке конструкции и оптимизации ее параметров и режимов работы идея вибрационного воздействия на очесываемые растения может быть применена на практике.

Неоднозначными являются и сведения о степени дробления зерна. При испытании украинской жатки Славянка УАС содержание в бункере дробленого зерна не вышло за пределы 2 %, тогда как на испытании жатки ЖОНТУ-6 оно превысило 2,63 %.

Очевидно, что фракционный состав очесанного вороха подразумевает обязательный домолот оборванных колосьев. При этом поступление в молотильный зазор свободного зерна и значительной части мелких соломистых примесей с технологической точки зрения не только лишено смысла, но и негативно отражается на сохранности зерновок. Следовательно, целесообразно внести коррективы в технологический процесс зерноуборочного комбайна, удалив из вороха, поступающего на домолот, большую часть свободных зерен.

Решение указанной проблемы имеет несколько альтернативных направлений, в каждом из которых присутствуют варианты конструктивного исполнения перспективной технологической идеи. К первому и самому многочисленному направлению могут быть отнесены конструктивные решения, в которых свободное зерно выделяется из вороха непосредственно в наклонной камере и выводится за ее пределы. Что касается способа сепарации, то он в большинстве случаев предполагает оборудование наклонной камеры решетчатым днищем. Подачу прохода на транспортную доску предполагается осуществлять специальным скребковым транспортером. Для этого в наклонной камере монтируется дополнительное днище [22]. В качестве варианта исполнения вместо скребкового транспортера могут быть использованы наклонные шнеки [23; 24].

Вторая группа сепарирующих устройств так же предполагает их размещение в наклонной камере. При этом вслед за очесывающим барабаном должен быть смонтирован домолачивающий барабан, сквозь решетку подбарабанья которого зерна будут просыпаться вниз и отводиться [25]. Существует несколько аналогичных конструкций, но для всех характерен общий недостаток, заключающийся в том, что слишком большая масса перегружает передний мост комбайна.

Том 32, № 2. 2022

Кроме того, необходимо подать отсе-парированное зерно в систему очистки, что существенно усложняет конструкцию по сравнению с решетчатым днищем. При этом не исключается негативное воздействие домолачивающего барабана на свободное зерно, то есть основная технологическая цель модернизации конструкции при этом не может быть достигнута в принципе.

Третья группа технических решений предполагает размещение сепарирующего устройства, предназначенного для выделения из очесанного вороха свободного зерна, непосредственно перед молотильным барабаном или вместо него [26; 27]. С точки зрения совершенства технологического процесса размещение сепарирующего устройства перед барабаном предпочтительнее. Для этого необходимо радикально перекомпоновать комбайн, существенно отодвинув назад барабан, укоротив при этом соломотряс. Что касается замены барабана на аналогичный по технологическому назначению рабочий орган: характер его воздействия на свободное зерно изменится несущественно, поэтому такой вариант представляется менее перспективным.

Материалы и методы

Выявленное при анализе литературы разнообразие подходов к решению проблемы предварительной сепарации свободного зерна из очесанного зернового вороха предопределило структуру дальнейших исследований. По совокупности конструктивных и экономических факторов выбор был остановлен на выделении из вороха 9 свободного зерна 7 на решетчатом днище 2 наклонной камеры 1 и подаче его на транспортную доску 5 комбайна 4 наклонными шнеками 8 (рис. 1). В результате на первом этапе проблема была ограничена оптимизацией параметров решетчатого днища и оценкой качественных показателей процесса сепарации.

В первую очередь необходимо было определить оптимальные размеры сепарирующих отверстий, для чего следовало сформулировать теоретическую модель процесса. Экспертная оценка его характера дала два альтернативных варианта: продолговатые отверстия могут быть сориентированы либо вдоль направления движения скребков транспортера, либо поперек. Исходя из теории решетных зерноочистительных машин, выбор был остановлен на продольной ориентации отверстий [28–31].

Р и с. 1. Принципиальная схема модернизации наклонной камеры: 1 - наклонная камера;

2 - решетчатое днище; 3 - колоски;

4 - комбайн; 5 - транспортная доска;

6 – молотильный барабан; 7 – свободное зерно;

8 – шнек; 9 – очесанный зерновой ворох

F i g. 1. Schematic diagram of the inclined chamber modernization: 1 – inclined chamber;

• 2 – lattice bottom; 3 – spikelets; 4 – combine harvester; 5 – transport board; 6 – threshing drum; 7 – loose grains; 8 – auger; 9 – combed grain heap

Следуя аналогии с теорией прохождения зерна сквозь продолговатое отверстие решета зерноочистительной машины, была принята гипотеза о том, что движение свободного зерна представляет собой полет тела, брошенного под углом к горизонту, что позволило вычислить минимальную длину отверстия, необходимого для гарантированного прохода сквозь него отдельного зерна. Однако в результате установочных экспериментов принятая гипотеза не нашла своего подтверждения, в связи с чем модель процесса была модернизирована с учетом того, что свободные зерна перемещаются внутри слоя вороха. В связи с этим они не имеют возможности для свободного полета.

Модернизированная гипотеза заключалась в том, что перемещаемые скребками поперечные (локальные) объемы вороха треугольного поперечного сечения при достижении нижней кромки отверстия начинают соскальзывать в него слоями толщиной в одну зерновку под углом внутреннего трения к горизонту. При достижении верхней кромки продолговатого отверстия соскальзывание прекращается и возобновляется вновь после прохода перемычки между отверстиями. Полученное на основе этой гипотезы дифференциальное уравнение движения слоя очесанного вороха позволило спрогнозировать приемлемую длину продолговатого отверстия, которая и была принята за основу при планировании эксперимента по оптимизации параметров решетчатого днища.

Оптимизационный эксперимент был осуществлен в лаборатории кафедры «Технические системы в агробизнесе, природообустройстве и дорожном строительстве» Брянского ГАУ Лабораторная установка была изготовлена на основе колосового элеватора зерноуборочного комбайна КЗС-10К. Нижняя стенка кожуха элеватора была удалена, а на ее место установили соответствующее экспериментальное сменное решето длиной 920 мм с продолговатыми отверстиями. Под решетом устанавливали четыре емкости, равномерно распределив их по его длине. Емкости улавливали весь ворох, прошедший сквозь отверстия. Элеватор был снабжен электроприводом с бесступенчатым регулированием скорости движения скребков (посредством частотного преобразователя Веспер E2-8300) и угла его наклона. Таким образом, лабораторная установка осуществляла полную имитацию работы наклонной камеры зерноуборочного комбайна.

Процесс осуществлялся следующим образом. После запуска скребкового транспортера в приемную часть установки засыпали очесанный зерновой ворох с содержанием свободного зерна порядка 80 %. При этом время засыпки вороха соответствовало (в пересчете на ширину наклонной камеры) характерной для комбайна КЗС-10К «Полесье GS-10» подаче (10 кг/с). После завершения каждой повторности опыта взвешивали содержимое четырех емкостей с проходом вороха и емкости с его сходом. В качестве исследуемого материала использовался очесанный ворох озимой пшеницы сорта Московская 56, характерного для Брянской

Том 32, № 2. 2022

области и ряда других регионов средней полосы России.

Лабораторный эксперимент планировался как полнофакторный и состоял из двух серий, поскольку в результате первой серии выйти на зону оптимума не удалось. Условия планирования лабораторного эксперимента приведены в таблице 1.

Поскольку эксперимент был спланирован с трехкратной повторностью каждого варианта опыта (тип плана 32), то в каждой из серий было реализовано по 27 замеров (таблица 2).

После лабораторных экспериментов была проведена модернизация конструкции наклонной камеры очесывающей жатки «ОЗОН» производства ПАО «Пензмаш». На основе модернизированного оборудования был проведен полевой эксперимент, целью которого была оценка степени сепарации свободного зерна в реальных полевых условиях. Кроме того, необходимо было установить разницу в степени дробления зерна в бункере, прошедшего через все рабочие органы молотилки, и зерна, изъятого непосредственно из наклонной камеры.

Для этого с наклонной камеры были демонтированы наклонные шнеки вместе с их кожухами, а вместо них был смонтирован мягкий контейнер большой емкости.

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Условия планирования эксперимента Experimental planning conditions

Факторы / Factors	Уровни варьирования / Variation grades
	–1	0	+1
Серия 1 / Series 1
Длина отверстия l , мм / Hole length l , mm	80	120	160
Ширина отверстия b , мм / Hole width b , mm	8	10	12
Серия 2 / Series 2
Длина отверстия l , мм / Hole length l , mm	120	160	200
Ширина отверстия b , мм / Hole width b , mm	6	8	10

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

Матрица планирования второй серии эксперимента Planning matrix of the experiment second series

Номер опыта / Experience Number	Серия 1 / Series 1		Серия 2 / Series 2
	l , мм / l , mm	b , мм / b , mm	l , мм / l , mm	b , мм / b , mm
1	80	8	120	6
2	80	10	120	8
3	80	12	120	10
4	120	8	160	6
5	120	10	160	8
6	120	12	160	10
7	160	8	200	6
8	160	10	200	8
9	160	12	200	10

При движении комбайна большая часть зерна и наиболее мелкие соломистые фракции накапливались в мягком контейнере, а оборванные очесывателем колоски и часть соломин поступали в молотильный зазор. Жатка была навешена на зерноуборочный комбайн «Нива-Эффект».

Испытания проводили в 2021 году на опытном поле учебно-опытного хозяйства Брянского ГАУ (с. Кокино, Брянская обл.) на озимой пшенице сорта Московская 56. Комбайн перемещался по учетной делянке с постоянной скоростью 8 км/ч при частоте вращения очесывающего барабана 485 мин-1. После очеса зерноуборочным комбайном учетной делянки длиной 50 м осуществлялась его полная остановка. После этого определяли массу зерна, поступившего в бункер, и вороха, накопленного в мягком контейнере, с последующим разбором его по фракционному составу. В частности, устанавливали долю дробленого зерна в бункере, травмированного рабочими органами молотилки, и в ворохе, прошедшем сквозь отверстия решетчатого днища и накопленном в мягком контейнере. Каждый вариант опыта был проведен в трехкратной повторности. Таким образом, всего были учтены и обработаны результаты шести экспериментов. Для их обработки использованы стандартные программы Excel, STATISTICA 10 и Matсad.

Полеглость растений, а также суммарные потери урожая за комбайном определяли по ГОСТу3.

Результаты исследования

В качестве критерия оптимизации и отклика для регрессионной модели был принят проход свободного зерна сквозь отверстия сепарирующей решетки. Характер взаимодействия факторов второй серии лабораторных экспериментов представлен на рисунке 2 и формулой (1) ( R ² = 0,934):

Пзер =-110,73+0,199-l+37,197-b -

• -1,926-b2    - 0,0229-1 - b, (1)

где П_зер – проход свободного зерна сквозь отверстия сепарирующей решетки, %; l – длина отверстия, мм; b – ширина отверстия, мм.

В зоне оптимума, локализовавшейся вблизи параметров l = 160 мм и b = 8 мм, проход свободного зерна достиг 68,7 %. При этом с высокой степенью адекватности ( R ² = 0,982) была установлена линейная зависимость между величиной прохода и длиной поверхности решетки:

C3ep =-80,424 • L+95,045, (2)

где С_зер – сход свободного зерна сквозь отверстия сепарирующей решетки, %; L – длина сепарирующей решетки, м.

Экстраполяция полученного тренда (2) позволила сделать вывод о том, что практически полное выделение из очесанного вороха свободного зерна возможно при длине сепарирующей поверхности L = 1,18 м. У серийного

Том 32, № 2. 2022

комбайна КЗС-10К «Полесье GS-10» днище наклонной камеры имеет длину порядка 1,3 м. Следовательно, осуществление практически стопроцентной сепарации свободного зерна в наклонной камере зерноуборочного комбайна технически возможно.

Практическая реализация полученных результатов была осуществлена на базе очесывающей жатки «ОЗОН» в агрегате с комбайном «Нива-Эффект» (рис. 3).

По результатам серии экспериментов установлено, что средний проход свободного зерна сквозь отверстия решетчатого днища составляет 90 %. Отсутствие стопроцентного результата обусловлено непроницаемостью стенок контейнера для потока воздуха, генерируемого ротором очесывателя, что нарушает отвод половы, которая блокирует значительную часть живого сечения отверстий решетчатого днища. При этом доля дробленого зерна

■ > 68

■ < 66

I I <62 □ < 58

I I <54

П < 50

69 ' 66( 63

Р и с. 2. Поверхность отклика для второй серии опытов при взаимодействии факторов: длина и ширина отверстий решетчатой поверхности

F i g. 2. The response surface for the second series of experiments with the interaction of factors: the length and the width of the holes of the lattice surface

в ворохе, накопленном в мягком контейнере и прошедшем сквозь отверстия в решетчатом днище, не превышала 0,5 %, тогда как в бункере она увеличилась до 1,75 %. Состав очесанного зернового вороха, прошедшего сквозь отверстия решетчатого днища и накопленного в мягком контейнере, был следующим: свободное зерно 76 %, полова 23,3 %, необмолоченные колосья 0,2 % и солома 0,5 %.

При работе комбайна без предварительной сепарации очесанного зернового вороха на решетчатом днище наклонной камеры дробление бункерного зерна превышало агротехнические требования, поскольку достигало 5,25 %. Суммарные потери за комбайном во всех вариантах опытов не превышали 2 % при средней полеглости растений 11,21 %.

Обсуждение и заключение

Главный вывод, который следует из анализа приведенных выше результатов, заключается в том, что предварительное выделение из очесанного зернового вороха свободного зерна до его поступления в молотильный зазор технически осуществимо. Более того, оно возможно в наклонной камере очесывающей жатки без внесения существенных корректив в конструкцию самого комбайна. Последнее обстоятельство важно в тех зонах страны, где зерноуборочный комбайн предполагается использовать и для уборки подсолнечника, кукурузы, а также других культур, уборка которых очесом затруднена или невозможна.

Одним из последствий расширения функции наклонной камеры за счет сепарации свободного зерна является некоторое увеличение ее массы. Выполненные предварительно расчеты свидетельствуют о том, что перегрузка переднего моста и недогрузка моста управляемых колес на данном этапе присутствуют, но не несут катастрофического характера [32]. Тем не менее при дальнейшей модернизации машин целесообразно учесть это обстоятельство и целенаправленно осуществить соответствующее перераспределение веса между мостами комбайна.

В тех зонах, где предполагается использовать комбайн исключительно

Р и с. 3. Экспериментальное оборудование при проведении полевых исследований: а) общий вид зерноуборочного комбайна; b) мягкий контейнер;

c) решетчатое днище наклонной камеры

F i g. 3. Experimental equipment for field research: a) general view of the combine harvester; b) soft container; c) lattice bottom of the inclined chamber

в агрегате с очесывателем, ориентация на размещение сепарирующего устройства непосредственно перед барабаном может быть оправданной. При этом барабан необходимо переместить назад, а соломотряс укоротить за ненадобностью. Наряду с рассмотренными в литературном обзоре техническими решениями, реализующими этот принцип, перспективными могут быть и альтернативные варианты конструкции [33].

Перспективным можно считать и размещение перед барабаном 5 состоящей из продольных пластин сепарирующей решетки 3 с расположенным над ней дополнительным скребковым транспортером 2 (рис. 4).

Р и с. 4. Размещение сепарирующей решетки непосредственно перед барабаном:

1 – наклонная камера; 2 – транспортер скребковый; 3 - сепарирующая решетка;

4 - комбайн; 5 - барабан молотильный;

6 – транспортная доска; 7 – очесанный зерновой ворох

F i g. 4. Placement of the separating grate directly in front of the drum: 1 - inclined chamber;

• 2    - scraper conveyor; 3 - separating grate;

• 4    - combine harvester; 5 - threshing drum;

• 6    – transport board; 7 – combed grain heap

  Том 32, № 2. 2022

Ее перевод из наклонного положения (в наклонной камере) в горизонтальное (перед барабаном) должен существенно увеличить сепарирующую способность живого сечения отверстий. Этому может способствовать и ликвидация характерных для решетчатого днища наклонной камеры перегородок между отверстиями, поскольку процесс скольжения слоев вороха становится непрерывным на всей длине решетки 3 [34]. Перевод сепарирующей решетки 3 в горизонтальное положение сокращает необходимую длину поверхности сепарации, примерно, до одного метра, что уменьшает проблемы, связанные с необходимостью перекомпоновки комбайна.

Принято считать, что при уборке зерновых культур очесом на корню энергоемкость процесса заметно уменьшается. В частности, расход топлива снижается на 45 % [7]. Модернизация формы очесывающих гребенок позволяет увеличить эффект еще на 28 % [10]. При этом отсутствуют сведения об экономии энергозатрат вследствие осуществления предварительной сепарации очесанного вороха в наклонной камере комбайна. На данном этапе исследований мы ограничились аналитической оценкой этого эффекта.

Источником экономии энергозатрат являются затраты на деформацию (перетирание) массы и на сообщение ей дополнительной кинетической энергии. В результате установлено, что, с учетом КПД привода, потребность в мощности на привод молотильного барабана должна уменьшиться на 10,2 кВт (для комбайна типа КЗС-10К). При этом дополнительные затраты мощности на привод наклонных шнеков не превышают 1 кВт.

Таким образом, предварительная сепарация свободного зерна из очесанного вороха в три раза уменьшает дробление зерна, а также снижает мощность, расходуемую на привод молотильного аппарата, на 11–12 %. Следовательно, дальнейшие работы по доведению указанного направления модернизации зерноуборочного комбайна до его массового внедрения в производство имеют хорошую перспективу окупаемости.

Поступила 02.02.2022; одобрена после рецензирования 21.03.2022; принята к публикации 11.04.2022

Об авторах:

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Submitted 02.02.2022; approved after reviewing 21.03.2022; accepted for publication 11.04.2022

All authors have read and approved the final manuscript.