Влияние геометрических параметров аксиально-роторных молотилок зерноуборочных комбайнов на показатели работы

Важнейшей задачей отечественного сельского хозяйства является производство зерна. Это объясняется тем, что около половины всех своих потребностей человек получает через зерновые продукты и их полуфабрикаты.

Среди этапов этого производства доминирующее (50.55%) положение по затратам материально-технических и энергетических ресурсов занимает [ 37, 43 ] уборка урожая. Во всех странах мира основным средством уборки зерновых культур является зерноуборочный комбайн. В России комбайнами убирают около 99% колосовых культур, а также бобовые, крупяные, масличные, семенники трав, кукурузу на зерно, рис и другие культуры.

Следует отметить, что, несмотря на значительные успехи, достигнутые при конструировании, производстве и эксплуатации комбайнов, зерноуборочный комплекс машин ещё далек от совершенства, как по конструкции рабочих органов и оптимальных значениях параметров его элементов, их компоновки, так и по организации всего цикла уборочных работ, соответствия машин внешним условиям работы.

Несоответствие технологических параметров машин природно-климатическим условиям и технологическим свойствам убираемых культур в различных зонах России, невысокий технический уровень конструктивных решений, а также недостаточно обоснованные формы и методы организации труда приводят [ 36, 99 ] к прямым потерям 12.15 млн. тонн зерна в среднем за год по стране, затраты труда на единицу продукции постоянно увеличиваются и более чем в 4 раза превышают средний уровень, достигнутый в развитых странах Европы и Америки. Кроме того, по оснащенности зерноуборочными комбайнами Россия существенно уступает [ 55 ] многим странам, при 5,4 комбайнах на 1000 га площадей под зерновыми в 1995 г. имели: США — 16,0- Германия — 32,0- Великобритания — 11,6- Франция — 14,0. Общее количество комбайнов в России сократилось [ 99 ] с 510 тыс. в 1985 г. до 285 в 1996 г. Так же, следует отметить старение комбайнов и валковых жатокони отработали в среднем по 5.6 лет, т. е. с амортизировались на 65.72%. В результате, уборка растягивается до 30 дней, что приводит к значительному недобору выращенного урожая и снижению качества зерна.

Одно из направлений, повышающих эффективность рабочего процесса комбайнов — разработка и внедрение в конструкцию аксиально-роторной молотильно — сепарирующей системы (а. — р. мсс). Такие системы нашли применение, как правило, в комбайнах с номинальной пропускной способностью я, ю> 10 кг/с (СК — 10, Дон — 2600ВД и др.) с шириной молотилки В > 1,2 м. Целесообразность аксиально-роторных молотилок в комбайнах с дно < 10 кг/с и обоснование их параметров имеют важное значение для сельскохозяйственного производства и его машиностроительной отрасли.

Постановка такой задачи в настоящее время имеет особую остроту в связи с расширением типажа [ 4, 19, 37, 43 ] зерноуборочных комбайнов. Так, в 8 последние годы разработаны и выпускаются комбайны ПН — 100, КЗС — 3 с пропускной способностью молотилки — 3 кг/с. Расширение аренды и фермерства злободневно ставит вопрос о целесообразности комбайна с номинальной пропускной способностью в пределах 1.3 кг/с. В плане таких направлений актуально дать решение о возможности создания а. — р. молотилок и эффективного их использования для целого семейства комбайнов класса от 1 до 7 кг/с. Наряду с этим а. — р. мсс может быть решением проблемы снижения материалоёмкости и габаритов комбайнов основного (ширина молотилки В — 1,2 м) класса.

Кроме того, естественный процесс расслоения производителей с. х. продукции по уровню товарности и финансовой самостоятельности диктует необходимость создания техники разной степени сложности: от дорогой оснащенной современным электронным оборудованием, обеспечивающей комфортные условия труда до простой и дешевой (прицепной), но с гарантированной надежностью.

Снижение в 1996 г., как валовых сборов до 79%, так и урожайности зерновых до 87% [ 99 ] к среднему за 1991. 1995 г. г. уровню этих показателей, ставит вопрос о создании малых и средних зерноуборочных, эффективно работающих с полной загрузкой, комбайнов. Снижение количества [ 55 ] покупаемых комбайнов в России с 55,4 в 1991 г. до 2,5 тыс. шт. в 1996 г. вынуждает отечественных комбайностроителей искать новые конкурентно способные виды своей продукции для ее реализации сельскому товаропроизводителю.

Настоящая работа посвящена обоснованию, разработке и исследованию а. — р. мсс для зерноуборочных комбайнов с шириной В молотилки до 1,2 м.

1. ОБОСНОВАНИЕ ТИПА МОЛОТИЛЬНО — СЕПАРИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЗЕРНОУБОРОЧНЫХ КОМБАЙНОВ С ШИРИНОЙ.

МОЛОТИЛКИ В < 1,2 м.

1.1. Типаж комбайнов.

Анализ отечественного и зарубежного опыта комбайностроения показывает, что тенденция его развития неразрывно связана с увеличением номинальной пропускной способности молотилки. С этим направлением связывают решение одной из главных задач развития сельскохозяйственного производства — повышение производительности труда, что приводит к сокращению сроков уборки и потребного числа комбайнов с одновременным ростом валового сбора зерна за счет снижения потерь урожая.

Однако с ростом единичной номинальной пропускной способности, без изменения технологических процессов (обмолота, сепарации, очистки), нарастают негативные процессы. Так, увеличивается (до 15 т.) масса комбайнов, из-за чего почва уплотняется выше допустимых значений. В результате чего существенно ухудшаются основные физические и технологические свойства пахотного и подпахотного слоя, уменьшается урожайность возделываемых культур. Установлена [ 49 ] следующая зависимость изменения урожайности ДА по следу движителя, характеризующая уплотняющее воздействие (упв) на почву: где С — коэффициент пропорциональности, зависящий от культуры, свойств почвы и погодно-климатических условий С = 0,207 м/Н- [И] -допустимое значение упв, равное 7,5 НУмИ{ - текущее значение упв на почву от ¿—го движителя.

Величину Иопределяют по выражению: где фд — коэффициент, зависящий от размеров и формы опорной поверхности движителя, для колесного движителя фд= 1,25- Ьд — ширина движителяqmax — максимальное давление в зоне контакта движителя с почвой- 5Д — коэффициент интенсивности накопления необратимой деформации почвы при повторных нагруженияхМ — число проходов движителей по одному следу, для зерноуборочных комбайнов М = 2 прохода.

Из выражений (1.1) и (1.2) имеем, что снижение урожайности АА по следу движителя на следующий год для СК — 5 М «Нива» составит — 2,2%, а для ДОН — 1500 — 3,1%. При этом переуплотнение почвы повышает удельное сопротивление при обработке, ухудшает рельеф поверхности полей и приводит.

ДА =100-С (И,-[И]),.

1.1).

И^фд ЬдЯтах (1 + 5д М),.

1.2) к эрозии почвы. Кроме того, увеличение габаритов комбайнов ограничено требованиями к их транспортированию по железным дорогам. Комбайны с шириной молотилки В > 1,5 м требуют значительных капиталовложений на досборку непосредственно в хозяйствах, а так же на сооружение более объемных ремонтных мастерских и хранилищ.

Высокая номинальная пропускная способность qH0, в большинстве случаев не может быть реализована в производительность из-за природно-климатических условий. Установлено [ 1 ], что около 57% урожая в России убирается при влажности зерна свыше 21%. Технологические свойства убираемых культур, снижение доли времени чистой работы и повышения затрат на подготовительно-заключительные операции, повороты, техническое обслуживание и др. снижают пропускную способность. С увеличением массы снижается техническая надёжность машин. Установлено [40, 78, 88 ], что в ряде зон России применение комбайнов, имеющих повышенную пропускную способность, не приводит к существенному (пропорциональному с пропускной способностью) увеличению производительности, хотя масса комбайна значительно увеличивается. В таких условиях эффективнее и экономически целесообразнее применение малогабаритных и легких комбайнов.

Для повышения качественных, технико-эксплуатационных и экономических показателей уборки требуется комплексное решение, которое сводится к следующему:

— расширение типажа (классов) комбайнов по номинальной пропускной способности, их модификаций и универсальности;

— увеличение пропускной способности комбайнов без существенного изменения их материалоемкости;

— уменьшение энергозатрат на единицу получаемой продукции;

— повышение надежности рабочих органов узлов и механизмов;

— снижение эргономических показателей, материалов и трудовых затрат на использование и ремонтно-восстановительные работы;

— внедрение прогрессивных достижений науки, передового опыта при разработке, производстве и использовании комбайнов.

Предложен [ 4, 19, 36, 99] шести-классовый типаж зерноуборочных комбайнов, различающихся по величине qH0: — 1 класс — q! I0 = 1,0. 1,5 кг/с (2,5% от общего количества комбайнов) — 2 класс — 2,0.3,0 (7,5%) — 3 класс — 5.6 (45.46%) — 4 класс — 7.8 (16. 17%) — 5 класс — 8.9 (20.22%) — 6 класс -11. .12(5%).

Расширение типажа повышает эффективность и качество уборки за счет наибольшего соответствия комбайнов природно-климатическим условиям и технологическим свойствам хлебов. Предложенный типаж, несомненно, условен. Однако повышению номинальной пропускной способности нет альтернативы, если рост qH0 достигается без увеличения материалоемкости с одновременным выполнением основных качественных, технико-экономических, эргономических и экологических и других требований.

В массовом порядке, на протяжении многих лет комбайновая промышленность России выпускала практически два класса комбайнов: СК -5М «Нива», Енисей — 1200 (3 класс) и ДОН — 1500 (4 класс), Разработаны комбайны СК — 10 Ротор и ДОН — 2600ВД (6 класса), АООТ «Тульский комбайновый завод» (ТуКЗ) приступил к производству прицепного комбайна ПН — 100 (ПК — ЗМ), разработанного с участием автора, с номинальной пропускной способностью qнo= 3,0 кг/с. Наибольшую долю Российского и мирового комбайнового парка составляют комбайны третьего класса, выпускаемые ведущими фирмами России, США, Канады, Германии, Италии, Финляндии и других стран. Масса самоходных коцбайнов 3 класса, при уборке незерновой части урожая|(нчу) в<�вал (c)к, Находится в диапазоне 8.9 т.

Кд&гб&йны А. Ъ классов%меют как п&авде", йпрэийу молотйлки В > 1,5 м, их масса ткй 12,0.16 $ т. Применений таких комбайнов осложнят их транспортирование железнодорожным транспортом, затрудняет их перемещение по проселочным и полевым дорогам, просекам, увеличивает вероятность повреждения мелиоративных сооружений, мостов и т. д.

Данной работой предусматривается обоснование и ргвраёотка ш? мбайнов 2 и 3 классов с шириной молотилки В < 1,2 м с целью обеспечйть снижение массы (материалоемкости), габаритов и повышения качества и эффективности уборки урожая за счет применения в них аксиально — роторной молотилки.

Предполагается [4, 19, 37, 99], что до 2005 г. основную долю (до 50%) комбайнового парка России составят комбайны третьего класса. Как отмечалось, разделение комбайнов по классам, тем более их доли в парке весьма услсурно, оно зависит от многих групп факторов: природно-климатических, техйико-экономических, социальных и др. Изменившиеся условия функционирования сельского хозяйства страны (многоукладность форм собственности, «свобода выбора» машины потребителями, изменения экспортных сделок и др.) усугубляю? т условнещъ. «' 5.

Проведем анализ с целью определения возможной доли гЬтощади полей, с которых зерновые убираются прямым комбайнированием отечественными зерноуборочными комбайнами с различной номинальной пропускной способностью. ^.

Номинальная пропускная способность молотилки может быть реализована в производительность при выполнении соотношения между величинами, выраженными следующей зависимостью:

Чно = 1,67 Вж, А р / су (1 — |3), (1.3.) где с — коэффициент использования номинальной пропускной способностиВжширина захвата жаткиУкскорость движения комбайнаАурожайность зернар — коэффициент соломистости, для паспортных условий уборки, ро = 0,6.

Максимальная скорость движения комбайна Ук ограничивается работой хедера или подборщика, а так же нормальными условиями работы комбайнера.

Установлено [ 36 ], что оптимальный диапазон рабочих скоростей комбайнов -3,6 км/ч (1,0 м/с).6,5 (1,8). Известно также, что повышение скорости Ук на 1 км/ч увеличивает мощность, потребную на перекатывание комбайна массой шк = 8.9 т, на 3,7.4,4 кВт.

В указанном диапазоне рабочих скоростей Ук движения комбайна при прямом комбайнировании, урожайность, А (при д = дно и, а = 0,7- 1,0) приведена в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Урожайность зерновых культур, А (при ч = qнo, и ро= 0,6).

Марка комбайна («Зно/Вж) Ширина молотилки В, м Коэффициент а.

0,7 1,0.

Скорость комбайна Ук, м/с.

1,0 1,8 1,0 1,8.

Урожайность А, ц/га.

СК — 10 (12/7) 1,5 48 27 68 38.

Дон-1500 (7,6/7) 1,5 35 29 51 28.

Енисей-1200 (6,3/6) 1,2 29 16 42 23.

СК — 5 М «Нива» (5/5) 1,2 28 16 40 22.

ПН — 100 «Простор"(3/3) 1,2 28 16 40 22.

Из табл. 1.1 следует, что для выполнения соотношения (1.3), при, а = 0,7 и верхнем пределе оптимальных скоростей Ук = 1,8 м/с, даже для самого малого комбайна ПН — 100, выпускаемого отечественной промышленностью, урожайность, А должна быть не менее 16 ц/га. А комбайны ГУ и У классов с В > 1,5 м будут значительно недогружены по пропускной способности, особенно на полях с урожайностью близкой к средней по России. Например, на полях с урожайностью 15 ц/га молотилки комбайнов 1У и У классов загружены лишь на 39.40%, что приводит к неэффективному использованию материальных затрат.

Недогрузку комбайнов по объему работ (площади полей с которых комбайны убирают зерновые культуры) определяем графически (рис. 1.1), наложением данных табл. 1.1 на кривую 1 распределения полей по урожайности зерновых в России. Из рис. 1.1 (кривая 2) следует, что на 40% площадей зерновых комбайны 3 класса (В< 1,2 м) будут не загружены даже при, а = 0,7. В то же время при увеличении, а до 1,0 и уменьшении скорости до Ук = 1м/с позволяет использовать эти комбайны на 95% площадей под зерновыми.

Рассчитано [ 78 ], что замена комбайнов 3-его класса на 4 в Нечерноземье в количестве определенном суммарной производительностью и при продолжительности уборки 10 дней не дает экономический эффекта при урожайности менее 30 ц/га.

Рис. 1.1. Схема к определению загрузки молотилок комбайнов:

1 — распределение полей по урожайности;

2 — суммарная площадь полей.

Из этого следует, что при рациональном использовании комбайнов 3-го класса с В < 1,2 м будут наиболее предпочтительными и самыми массовыми на ближайшую перспективу.

Целесообразно обосновать тип молотилки и разработать для него молотильно-сепарирующую систему повышающую качество и эффективность уборки. зерновых культур.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Основную долю комбайнового парка страны составят машины с шириной молотилки 1,2 м. Одним из направлений повышения качества и эффективности уборки зерна комбайнами с указанной шириной молотилки является увеличение в 1,6 раз их номинальной пропускной способности.

2. Моноагрегатные аксиально — роторные (а. — р.) молотильносепарирующие системы (мсс) одно из направлений решений поставленной задачи. Они предпочтительны не только в комбайнах с шириной молотилки В = 1,5 м, но и при В < 1,2 м.

3. Определяющий критерий, влияющий на технологические показатели работы а. — р. мсс — длина траектории движения обрабатываемой массы в молотильно — сепарирующей системе. Увеличение длины траектории повышает коэффициенты вымолота, сепарации и дробления зерна, а увеличение радиуса траектории движения уменьшает их.

4. В а. — р. мсс растительная масса движется по винтовым траекториям, длина которых определяется длиной мсс и углом их подьема. Попутное с ротором вращение кожуха увеличивает, а встречное уменьшает путь массы в молотильном пространстве.

5. Вероятность прохода частиц мелкого вороха сквозь отверстия равных размеров выше в а: — р. мсс с меньшим диаметром кожуха.

6. Коэффициент интенсивности сепарации величина постоянная по длине а. — р. мсс. Коэффициент ^ возрастает на 0,16 м" 1 на каждые 10 см уменьшения диаметра кожуха.

7. При равных длинах устройств, доля потерь зерна в соломе за молотилкой с диаметром ротора 0,60 м, а 1,5.2,0 раза меньше, чем при диаметре ротора 0,75 м.

8. Дробление зерна при роторах равных 0,6 и 0,75 м, практически, одинаково. С ростом приведенной подачи дробление уменьшается с интенсивностью 0,13% (кг/с)" 1.

9. Удельные технологические мощности 1ЧТ при ц = 7. 8 кг/с равны для сравниваемых а. — р. мсс, а снижение подачи до 5 кг/с дает разницу в значениях Мг до 0,7 кВт (кг/с)" 1 в пользу мсс с меньшим диаметром ротора.

10. Увеличение скорости бичей ротора с 25 до 36 м/с снижает потери свободным зерном в 4,8 раза, а потери недомолотом в 2,4. Рекомендуемые скорости бичей на уборке колосовых культур равны 34. 36 м/с.

11. Роторная молотилка «Кедр — РВ» с разработанной а. — р. хмсс превосходит одинаковую с ней по габаритам «классическую» молотилку комбайна «Енисей — 1200 — 1» по пропускной способности при потерях зерна 1 и 1,5% в 1,6 раза на сухой массе (УС = 7. 12%) и 1,1.1,7 раза на влажной массе (УС = 35. .40%) массе.

12. А. — р. мсс имеет наибольшие преимущества перед «классической» по потерям Рсс свободного зерна.

13. Роторы с диаметрами 0,55, 0,57 и 0,60 м реализованы в комбайнах «Енисей — Ротор», «Нива — Ротор», «КедрРотор» и ПН — 100 «Простор» и др., разработанных с участием автора.

14. Аксиально — роторные комбайны с шириной молотилки 1,2 м имеют в 1,7.2,0 раз меньшую металлоемкость, чем комбайны с «классической» молотилкой.

15. При одинаковых классах комбайнов пропускная способность у а. — р. молотилок в 1,2. 2,2 раза выше, чем у «классических» барабано — дековых.

16. Энергоемкость уборки и транспортировки 1 т. зерна для комбайна «Нива — Ротор» в испытуемых условиях составляет 423 МДж/т, а для СК — 5 М -746 МДж/т. Коэффициент снижения энергозатрат 57%, а уровень интенсификации 43.

1ЧЬ.