Improving the Design of Combine Harvesters by Harmonizing Their Basic Technical Parameters

Full Text

Введение

При массовом внедрении в сельскохозяйственное производство зерноуборочных комбайнов возникла необходимость в их классификации на определенные группы, классы, типы и т. п. Известны комбайны по назначению: зерноуборочные, кукурузоуборочные, кормоуборочные и т. п. По агрегатированию с энергоисточником они делятся на прицепные, самоходные, навесные и т. д. Применяемая классификация больше отражает назначение или принцип технологического процесса, чем технический уровень. Количественной оценки технического уровня долго не было. Предпринималась попытка использовать ширину захвата жатки в метрах, например комбайны С-4, С-4М, или длину молотильного барабана в мм: Дон-1200, Дон-1500, Енисей-900.

Современная классификация зерноуборочных комбайнов на классы основана на ряде научных исследований [1–4], которые за признак классификации комбайнов предложили принять пропускную способность комбайна – т. е. чистую производительность комбайна в кг зерна, обмолоченного в молотилке комбайна за 1 сек. при отношении массы зерна к массе соломы 1 : 1,5, потерях зерна не более 1,5 % и дроблении зерна не более 2 %. Это была первая научно обоснованная цифровая классификация зерноуборочных комбайнов.

Обзор литературы

Аналитический обзор проблематики показал, что проблемам выбора параметров комбайнов и их конструирования посвящено большое количество публикаций. Наиболее значимы для теории и практики комбайностроения были работы В. П. Горячкина¹, М. А. Пустыгина², В. Г. Антипина³, С. А. Алферова [1], Б. Г. Турбина [5], Э. И. Липковича [6],  Н. И. Кленина [7], А. И. Русанова [8; 9], В. В. Лемешко [10], А. Д. Логина [11], К. С. Орманджи [12], В. Червинки [13] и ряда других исследователей. Однако принцип гармонизации параметров комбайнов был предложен только в одной работе [14]. Предлагаемая статья является творческим развитием ранее выполненных работ в этом направлении. В иностранной литературе не было найдено ни одной научной публикации в открытых источниках, связанной с изучением данной проблематики или научного направления, которому посвящена статья.

Большая группа исследователей занималась поисками закономерности связи пропускной способности комбайнов и их конкретными параметрами [6–8; 15‒18] и, наоборот, определением пропускной способности комбайна по исходным параметрам молотилки [9–11]. Причем в основном ограничивались линейными размерами параметров. В связи с этим надо отдать должное заслуге американского ученого В. Червинки, который доказал, что самый высокий коэффициент корреляции с пропускной способностью комбайна (производительностью) имеют не линейные размеры рабочих органов молотилки, а проективные площади обмолота и сепарации [13]. В итоге удалось обосновать новый критерий технического уровня комбайнов (i_k – параметрический индекс) и показать его влияние на пропускную способность комбайна [19–21].

Современная мировая комбайностроительная отрасль характеризуется производством большого количества различных моделей комбайнов и их модификаций. Это вызвано естественным большим спросом сельхозпроизводителей на разнообразную технику применительно к своим природно-агроклиматическим и агроландшафтным условиям производства сельхозпродукции. По проспектным данным разных фирм производителей комбайнов известно почти 150 наиболее распространенных моделей комбайнов. Все они отличаются габаритами, массой, мощностью двигателя, параметрами молотильно-сепарирующего устройства и т. д. На первый взгляд может показаться, что если комбайны все разные, то и нет никакой логической и математической связи между их параметрами.

Каждый конструктор на свое усмотрение и понимание выбирает параметры проектируемых комбайнов. Часто этот выбор является простым следованием традиционным особенностям той или иной фирмы. Единой методики выбора нужных параметров нет, несмотря на обилие частных уравнений. Первая попытка разработать такую методику была предпринята в работе В. Червинки [13].

Оказалось, что применив статистический анализ большой совокупности разных комбайнов, можно выявить достаточно однородную выборку машин с устойчивой регрессионной связью между параметрами, это характеризуется приемлемым значением коэффициента вариации этой выборки (менее 10–15 %). На этом основании мы предложили статистические зависимости между параметрами считать теоретическими, а отклонения фактических значений параметров от этих теоретических значений определяют степень гармонизации конкретной модели комбайна с общемировыми тенденциями. В итоге это даст возможности определить пути совершенствования создания комбайнов.

Материалы и методы

Методика исследований состоит в том, что за основу принята выборочная совокупность комбайнов из более 150 известных моделей и выполнена статистическая обработка фактических и расчетных параметров комбайнов с определением путей их совершенствования. Расчетные параметры названы теоретическими, так как они соответствуют общемировым тенденциям развития параметров комбайнов.

Фактические параметры серийных комбайнов нами представлены в виде генеральной статистической совокупности, но единую однородную выборку значений этих параметров привести невозможно. По каждому параметру выявлена отдельная последовательность, несопоставимая с последовательностью по другому параметру. Нет смысла также определять среднее значение по всей совокупности значений параметров более 150 моделей комбайнов. Совокупность их параметров не представляет собой единую однородную статистическую выборку. Выход был найден в том, что комбайны сравнивались не по отдельным параметрам, а по производительности в час чистого времени, т. е. по пропускной способности в кг/с, являющейся функцией базовых параметров любого комбайна: мощность двигателя и площади сепарации подбарабанья, соломотряса и очистки. 

Исследуемые комбайны по пропускной способности были выделены в три группы: до 4 кг/с, 4‒9 кг/с и более 9 кг/с, включая классические и аксиально-роторные комбайны. На примере выборочных 16 из 150 моделей показана методика расчета теоретических параметров и предложены пути корректировки фактических (проспектных) параметров. В целом отмечено, что многие фирмы производят комбайны с достаточно высоким коэффициентом гармоничности параметров в пределах 0,9–0,94. По некоторым комбайнам других фирм проблема гармонизации параметров является актуальной, особенно при коэффициенте гармонизации менее 0,85. По каждой из 16 моделей комбайнов даны рекомендации по желательной корректировке фактических параметров. К примеру, в комбайне 5270С-AL фирмы Fendt (Германия) предлагается повысить мощность двигателя со 180 до 252 л. с., площадь соломотряса ‒ с 5,7 до 7,2 м², а площадь развертки подбарабанья в размере 1,3 м² является излишней, достаточно 0,81 м². Площадь решет очистки уменьшить с 6,0 до 5,4 м². При этих изменениях пропускная способность остается на уровне 9 кг/с. В отечественном комбайне Вектор 410 площадь развертки подбарабанья является завышенной, а площадь соломотряса и решет очистки ‒ заниженной в сравнении с общемировыми тенденциями для такого класса комбайнов. Подобный анализ сделан и по другим комбайнам.

Результаты исследования

Предлагаемая методика поиска направлений совершенствования конструкции зерноуборочных комбайнов состоит из последовательности следующих информационно-расчетных операций.

1. Составление общей картотеки по комбайнам с указанием страны-производителя, фирмы, марки базовых моделей и их модификаций. Модификации нужны для общей оценки производственной мощности фирмы-изготовителя и ее конкурентоспособности на мировом рынке комбайнов.
2. Составление параметрической картотеки по комбайнам с указанием по каждой базовой модели фактической мощности двигателя N_e, площади подбарабанья F_п, соломотряса F_с, и площади решет F_р. Указанные в проспектах значения некоторых параметров желательно уточнить у фирмы-производителя, так как отмечены случаи неточных данных в проспектах.
3. Расчет параметрического индекса для каждого комбайна по формулам:

‒ для комбайна с классической (барабанной) схемой молотилки:

 

$i_k=\frac{1}{4}\left[\frac{N_e}{32}+\frac{F_{\text{ï}}}{\mathrm{0,26}}+\frac{F_c}{\mathrm{1,5}}+\frac{F_p}{\mathrm{0,8}}\right]$ ;      (1)

 

‒ для комбайна с аксиально-роторной схемой молотилки:

 

$i_k=\frac{N_e}{126}+\mathrm{0,5}\left(F_{ПС}+F_p\right)$ ,       (2)

 

где i_k – параметрический индекс для каждого комбайна; F_пс ‒ площадь развертки подбарабанья ротора, включая молотильную и сепарирующую секции.

 

4. Определение расчетной пропускной способности комбайна по формуле:

 

$q_k=\mathrm{1,83}{i}_k-\mathrm{0,83}$ ,               (3)

 

где q_k ‒ расчетная пропускная способность комбайна кг/с.

 

5. По расчетной пропускной способности (3) с использованием фактических значений параметров (1) определяем теоретические (статистические) параметры комбайнов, отражающие мировые тенденции в развитии базовых комбайнов с ошибкой не более 10 %.

 

5.1. Мощность двигателя, л. с.

при q_k ˂ 1,5 кг/с    N_eт = 36 × q_k,                (4)

       q_k до 9,0 кг/с   N_eт = 28,4 × q_k,             (5)

       q_k > 9,0 кг/с      N_eт = 42,2 × q_k ‒ 97.    (6)

 

5.2.          Площадь развертки подбарабанья, м²

 

 $F_{ПТ}=\frac{FR\alpha }{180}\cdot \text{B}=\mathrm{0,07}{q}_k+\mathrm{0,19}$ 

              (бильный барабан),           (7)

 

$F_{ПТ}=\mathrm{0,24}\cdot q_k+\mathrm{0,37}$

   (аксиально-роторный барабан),  (8)

 

где R – радиус барабана, м; α – угол обхвата подбарабанья, º; B – длина барабана, м.

 

5.3. Площадь соломотряса, м²

   $F_{СТ}=\mathrm{0,72} \cdot q_k+\mathrm{0,78}$    (9)

 

5.4. Площадь решет очистки, м²

   $F_{РТ}=\mathrm{0,58}\cdot q_k+\mathrm{0,2}$    (10)

 

6. Расчет соотношения фактических параметров и теоретических (статических)

 

     $\prod _i= \frac{\prod _{фi}}{\prod _{Ti}}$ .                    (11)

 

7. Расчет коэффициента гармоничности комбайнов по базовым параметрам N_e, F_п, F_c, F_p.

 

    $K_{ГАР}=1- \frac{1}{n}\sqrt{{\displaystyle \sum }_{i=1}^n{\left[1-\frac{\prod _{фi}}{\prod _{Ti}}\right]}^2}$ ,     (12)

 

где n – общее количество базовых параметров; П_фi и П_тi – соответственно фактическое значение параметров по проспектам фирм-изготовителей и теоретическое по формулам (1)–(10).

8. Выбор моделей комбайнов с минимальным значением коэффициента гармоничности K_гар(менее 0,9).
9. Из группы комбайнов с K_гар˂ 0,9 составляется картотека соотношений параметров (11).
10. Производится анализ соотношений (11) и определяются направления совершенствования базовых параметров.

При П_i > 1 фактические параметры завышены по сравнению с теоретическими в соответствии с общемировым трендом, а при П_i  ˂ 1 – занижена, что в любом случае является основанием для совершенствования молотильно-сепарирующих органов комбайна.

Последовательность расчетных операций (1)–(10) в итоге ее реализации доказывает: принятая за основу научная гипотеза, что чем ближе фактические параметры комбайна к статистическим в однородной выборке, тем выше степень гармоничности параметров комбайна и тем совершенней его конструкция, получила подтверждение.

Нарушение этого требования приводит к непропорциональным параметрам комбайна между собой, а в итоге к нарушению ритма технологического процесса обмолота и сепарации, повышению нереализуемости мощности двигателя, увеличению массы комбайна и его стоимости. То есть площади подбарабанья, молотильного барабана, а отсюда и диаметр барабана, длина и угол обхвата, должны соответствовать площади соломотряса и очистительных решет, а мощность двигателя должна быть достаточной для обмолота и сепарации на этой площади, а также для передвижения комбайна. Например, непропорциональность увеличения площади подбарабанья приводит к повышенному перебиванию незерновой части урожая, что затрудняет нормальное выполнение процесса сепарации зерна на остальных рабочих органах комбайна.

Поиск подобных непропорциональностей составляет основную задачу гармонизации параметров комбайнов в направлении их совершенствования в соответствии с общемировыми тенденциями.

Следует заметить, что формулы (1)–(10) не могут быть абсолютно стабильными по времени. Сейчас они отражают тот большой статистический материал, который был накоплен на наших машиноиспытательных станциях, и более адекватны базовым моделям современных комбайнов. С течением времени по мере комплексного совершенствования комбайнов и технологических схем обмолота и сепарации они, конечно, могут измениться, но идея гармонизации по их параметрам все равно останется актуальной. В частности, приведенные здесь зависимости несколько уточнены в сравнении с теми, которые приведены в публикации [14]. Вполне возможно, что появятся адекватные уравнения по зависимостям массы комбайна, вместимости бункера, универсальности применения, надежности и т. п. в функции пропускной способности комбайна. Например, для аксиально-роторных комбайнов получены уравнения после статистической обработки, но с намного меньшей выборкой по сравнению с выборками по классическим комбайнам. Несомненно, этот недостаток в будущем будет устранен, так как аксиально-роторные комбайны находят все большее применение. К тому же в перспективе возможно увеличение производства комбайнов с комбинированными молотилками: бильное молотильное устройство и аксиально-роторные соломосепараторы и т. п.

Приведем примеры конкретной реализации предложенной методики поиска путей совершенствования комбайнов.

В таблице представлена выборка из 150 моделей в составе 16 моделей комбайнов с разным значением коэффициентов гармоничности K_гар. Результаты расчетных данных по таблице дают возможность сделать ряд важных рекомендаций по совершенствованию комбайнов. Как видно, K_гар у представленных комбайнов находится в интервале от 0,70 до 0,94.

 

 

Таблица Фактические (проспектные) и расчетные параметры зерноуборочных комбайнов
(статистическая однородная выборка из 150 моделей комбайнов)

Table Actual (prospective) and estimated parameters
of combine harvesters (statistical homogeneous sample of 150 combine harvester models)

№ п/п	Модель комбайна, фирма, страна / Combine model, company, country	Технологические параметры комбайнов / Technological parameters of combine harvesters
		Варианты / Variants	Мощность двигателя / Engine power Ne, л.с.	Площадь подбарабанья / Square drumming Fп, м2	Площадь соломотряса / Square the straw separator Fс, м2	Площадь решет очистки / Square cleaning sieve Fp, м2	Параметрический индекс / Parametric index ik	Пропускная способность / Bandwidth qk, кг/с	Коэффициент гармоничности / Harmonization Coefficient Kгар
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	Medion 340 Claas (Германия / Germany)	Факт / Fact	333	0,70	7,00	5,10	5,76	9,70	0,93
		Расчетная / Estimated	312	0,87	7,76	5,80	6,10	10,30
		Соотношение / Ratio	1,07	0,80	0,90	0,88	0,90	0,90
2	Dominator 150 Claas (Германия / Germany)	Факт / Fact	141	0,40	4,20	3,00	3,00	4,70	0,94
		Расчетная / Estimated	133	0,52	4,20	2,93	3,00	4,70
		Соотношение / Ratio	1,06	0,77	1,00	1,02	1,00	1,00
3	Lexion 580 Claas (Германия / Germany)	Факт / Fact	430	0,90	7,40	5,80	6,70	11,50	0,93
		Расчетная / Estimated	388	1,00	9,00	6,90	7,30	12,60
		Соотношение / Ratio	1,10	0,90	0,82	0,84	0,92	0,91
4	5270 С / 5270 C-AL Fendt (Германия / Germany)	Факт / Fact	180	1,30	5,70	6,00	5,30	8,90	0,76
		Расчетная / Estimated	252	0,81	7,20	5,40	5,40	9,00
		Соотношение / Ratio	0,71	1,60	0,79	1,11	0,98	0,99
5	ТС-54 New-Holland (США / USA)	Факт / Fact	170	0,70	4,00	3,30	3,60	5,70	0,86
		Расчетная / Estimated	162	0,60	4,90	3,50	3,60	5,70
		Соотношение / Ratio	1,05	1,17	0,82	0,94	1,00	1,00
6	СК-5 МЭ-1 «Нива-Эффект» Ростсельмаш (Россия / Russia)	Факт / Fact	145	0,92	4,34	2,42	3,36	5,30	0,83
		Расчетная / Estimated	150	0,56	4,60	3,27	3,36	5,30
		Соотношение / Ratio	0,97	1,64	0,94	0,74	1,00	1,00
7	NOVA-340 Ростсельмаш (Россия / Russia)	Факт / Fact	180	0,93	4,34	3,59	4,00	6,50	0,87
		Расчетная / Estimated	184,6	0,64	5,46	3,97	4,05	6,60
		Соотношение / Ratio	0,97	1,45	0,79	0,90	0,99	0,98
8	Вектор 410 Ростсельмаш (Россия / Russia)	Факт / Fact	210	1,10	5,00	3,60	4,47	7,40	0,85
		Расчетная / Estimated	210,2	0,71	6,10	4,50	4,56	7,50
		Соотношение / Ratio	1,00	1,55	0,82	0,80	0,98	0,98
9	Дон-1500Б Ростсельмаш (Россия / Russia)	Факт / Fact	235	1,36	6,15	4,74	5,44	9,10	0,82
		Расчетная / Estimated	258	0,83	7,30	5,50	5,52	9,30
		Соотношение / Ratio	0,91	1,64	0,84	0,86	0,98	0,98
10	ACROS 530 Ростсельмаш (Россия / Russia)	Факт / Fact	250	1,38	6,15	4,74	5,57	9,36
		Расчетная / Estimated	266	0,84	7,52	5,63	5,67	9,55
		Соотношение / Ratio	0,94	1,64	0,82	0,84	0,98	0,98
11	ACROS 595 Ростсельмаш (Россия / Russia)	Факт / Fact	325	1,38	6,30	5,20	6,25	10,60	0,86
		Расчетная / Estimated	350	0,93	8,40	6,30	6,70	11,40
		Соотношение / Ratio	0,93	1,48	0,75	0,83	0,93	0,93
12	TORUM 740 Ростсельмаш (Россия / Russia)	Факт / Fact	400	3,10	‒	5,20	7,32	12,60	0,94
		Расчетная / Estimated	416	3,40	‒	6,50	7,67	13,20
		Соотношение / Ratio	0,96	0,91	‒	0,80	0,95	0,95
13	Sampo Rosenlew SR2010 (Финляндия / Finland)	Факт / Fact	83,0	0,30	1,40	0,70	1,39	1,71	0,82
		Расчетная / Estimated	54,7	0,31	2,05	1,20	1,44	1,80
		Соотношение / Ratio	1,51	0,97	0,68	0,58	0,96	0,95
14	CS 660 New-Holland (США / USA)	Факт / Fact	282	1,00	4,20	5,20	5,20	8,80	0,88
		Расчетная / Estimated	274	0,81	7,10	5,30	5,50	9,30
		Соотношение/ Ratio	1,03	1,23	0,60	0,98	0,95	0,95
15	MF 7278 «Cerea» (США / USA)	Факт / Fact	388	0,90	8,80	5,30	6,70	11,40	0,94
		Расчетная / Estimated	384	0,99	9,00	6,60	7,20	12,30
		Соотношение / Ratio	1,01	0,91	0,98	0,80	0,93	0,93
16	296 LCS Lаverda (Италия / Italy)	Факт / Fact	235	1,00	5,40	4,50	4,90	8,10	0,90
		Расчетная / Estimated	230	0,76	6,60	4,90	5,00	8,20
		Соотношение / Ratio	1,02	1,30	0,80	0,90	0,98	0,98

 

 

 

Первое – выявлена группа комбайнов с очень высоким коэффициентом гармоничности − 0,93–0,94. Это прежде всего немецкие машины фирмы Claas (Medion 340, Dominator 150, Lexion 580). Российский комбайн компании «Ростсельмаш» (TORUM 740) и американские Massey Ferguson (MF 7278).

Второе – выделяется большая группа комбайнов, которые имеют коэффициент гармоничности их конструкции по параметрам ниже 0,9, следовательно, у них есть резервы для совершенствования в соответствии с общемировыми тенденциями.

Комбайн 5270 C-AL немецкой фирмы Fendt нуждается в увеличении мощности двигателя со 180 до 252 л. с., снижения площади подбарабанья с 1,3 до 0,81 м², увеличении площади соломосепаратора с 5,7 до 7,2 м² и уменьшении площади решет очистки с 6,0 до 5,4 м². При этом пропускная способность комбайна останется на уровне 9,1 кг/с.

У отечественного комбайна СК-5 «Нива-Эффект» была завышена площадь подбарабанья и занижена площадь решет очистки. Примерно такая же ситуация с комбайном Вектор 410, Дон-1500Б и ACROS 595. Отметим, что данные марки комбайнов еще эксплуатируются на сельхозпредприятиях страны.

В комбайне Sampo Rosenlew SR2010 (Финляндия) установленный двигатель мощностью 83 л. с. полностью не реализует свою мощность и также нуждается в увеличении площади соломосепарации и решет очистки. В комбайне CS 660 New-Holland (США) мощности двигателя достаточно для реализации фактической производительности, но для повышения устойчивости технологического процесса необходимо увеличение площади соломосепаратора при уменьшении площади подбарабанья с 1,0 до 0,81 м². Примерно такая же ситуация с комбайнами LCS 296 итальянской фирмы Lаverda.

По приведенной методике расчета можно пересчитать параметры всех остальных комбайнов из имеющихся 150 моделей. Подобный анализ технического уровня зерноуборочных комбайнов по другим известным методикам сделать невозможно.

Обсуждение и заключение

1. Предложена методика цифровой оценки технического уровня зерноуборочных комбайнов, основанная на трех расчетных критериях: параметрическом индексе, регрессионных зависимостях между параметрами комбайна, отражающих общемировые тенденции их развития и коэффициенте гармоничности конструкции комбайна по параметрам молотильно-сепарирующего устройства.
2. Выявлена группа комбайнов с очень высоким коэффициентом гармоничности ‒ 0,93–0,94. Это прежде всего немецкие комбайны фирмы Claas (Medion 340, Доминатор 150, Lexion 580), российский комбайн компании «Ростсельмаш» (TORUM 740) и американский Massey Ferguson (MF 7278). Выделяется большая группа комбайнов, которые имеют коэффициент гармоничности их конструкции по параметрам ниже 0,9, следовательно, у них есть резервы для совершенствования в соответствии с общемировыми тенденциями, к примеру комбайн 5270 C-AL немецкой фирмы Fendt нуждается в увеличении мощности двигателя со 180 до 252 л. с., снижения площади подбарабанья с 1,3 до 0,81 м², увеличении площади соломосепаратора с 5,7 до 7,2 м² и уменьшении площади решет очистки с 6,0 до 5,4 м², при этом пропускная способность комбайна останется на уровне 9,1 кг/с.
3. На основе предложенной методики даны рекомендации по совершенствованию ряда наиболее известных комбайнов отечественного и зарубежного производства с учетом общемировых тенденций их развития. Разработанную методику можно также использовать при проектировании новых комбайнов.

 

 

¹           Горячкин В. П. Земледельческая механика. Полн. собр. соч. в 7 т. М. : Сельхозгиз, 1937‒1949 гг

²           Пустыгин М. А. Теория и технологический расчет молотильных устройств. Сельхозгиз, 1948

³           Антипин В. Г. Определение пропускной способности зерноуборочных комбайнов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1963. № 1

 

About the authors

Mikhail E. Chaplygin

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Author for correspondence.
Email: misha2728@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0031-6868
ResearcherId: AAZ-6056-2020
https://elibrary.ru/author_profile.asp?authorid=668532

Cand.Sci. (Engr.), Senior Researcher, Head of the Laboratory of Technology
and Machines for Sowing and Harvesting Grain and Seed

Russian Federation, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

Eduard V. Zhalnin

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: zhalnin@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5467-0654
ResearcherId: AAG-1285-2021

Dr.Sci. (Engr.), Professor, Head of the Technology and Equipment Department
for Grain, Grain Legumes and Oilseeds

Russian Federation, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

References

Supplementary files