Influence of the Grid Inclination Angle on the Efficiency of Preliminary Separation of the Combed Heap

Full Text

Введение

Одним из важнейших показателей стратегической устойчивости государства является объем производимого зерна¹. Российская зерновая отрасль вместе со всем сельским хозяйством прошла за последние десятилетия большой путь через радикальные институциональные преобразования к полноценному рынку. Далеко не все на этом пути было однозначно позитивным, однако, уже в 2020 г. объем производства зерна превысил в 1,26 раза соответствующий показатель наиболее успешной советской пятилетки (1976‒1980 гг.)². Средняя урожайность зерна увеличилась в два раза, что свидетельствует о качественных изменениях в научно-техническом обеспечении отрасли и о значительном повышении ее технологического уровня. В 2022 г. валовой сбор зерна превысил 150 млн т, вследствие чего Россия вышла на его среднедушевое производство на уровне 1 т на человека, что казалось недостижимым еще 30 лет назад.

Одним из главных условий интенсификации зернового производства является его обеспеченность высокоэффективной уборочной техникой. За постсоветский период мы прошли этапы ориентации на имевшийся технический задел, а затем на массовый импорт зерноуборочных комбайнов. При этом удалось в значительной степени сохранить и адаптировать к современным условиям отечественное комбайностроение, которое теперь делит российский рынок с иностранными брендами. Так, в 2019 г. завод «Ростсельмаш» выпустил 78,8 %, а «Брянсксельмаш» – 10,42 % от общероссийского производства комбайнов. В 2022 г. третий по объему выпуска зерноуборочных комбайнов в России завод «Клаас-Восток» в Краснодаре попал под санкции Европейского союза, его дальнейшая перспектива пока не определена³. Значительные проблемы имеют место и с импортозамещением иностранных комплектующих на отечественных предприятиях, которые до 2022 г. были крепко встроены в технологические цепочки с зарубежными партнерами.

Кроме организационно-экономических проблем в комбайностроении есть нерешенные научно-технические аспекты. Стремление максимально увеличить производительность обмолота привело к ее росту у комбайна RSM-161 до 40 т/ч, тогда как у советского предшественника («Дон-1500Б») она составляла только 14 т/ч. Вследствие этого существенно уменьшается необходимое число комбайнов. Вторым следствием является потребность в более высокой урожайности зерновых культур. Так, комбайн LEXION фирмы CLAAS требует для своей оптимальной загрузки урожайность не ниже 70 ц/га. Очевидно, что при средней урожайности российских полей порядка 25–30 ц/га такая высокопроизводительная техника не окупится.

В связи с этим ряд ученых предлагают решать вопрос оптимизации парка зерноуборочной техники путем ее зональной дифференциации и адаптации к местным условиям за счет перехода на семь классов комбайнов с варьированием пропускной способности молотилки в пределах от 3 до 12 кг/с [1–3]. При наиболее низкой урожайности может быть оправданным переход на раздельную уборку с использованием жаток с порционным сбросом хлебной массы [4; 5].

Значительные резервы совершенствования процесса уборки зерна содержит его очес на корню. Поскольку до 70 % энергозатрат в молотилке расходуется на перетирание и разрыв соломы, исключение указанного технологического компонента из процесса в результате использования очеса позволит уменьшить энергоемкость обмолота в 1,4–2 раза⁴ [6; 7]. При стабильном росте цен на энергоносители это существенный способ повышения экономической эффективности производства и уменьшения себестоимости зерна [8–10].

Несмотря на очевидную перспективность очеса на корню его практическое использование по ряду причин сдерживается. Во-первых, нельзя считать завершенным процесс оптимизации конструкции очесывателей и их отдельных элементов, о чем свидетельствуют многочисленные научные публикации последних лет [11–13]. В частности, для уменьшения энергоемкости очеса предлагается использовать поперечные колебания гребенок [14–16]. Во-вторых, очесанный ворох содержит до 80 % свободного зерна, которое поступает в молотильный зазор, где подвергается технологически немотивированному воздействию бичей барабана. В результате резко возрастает степень дробления зерна и потребляется излишне до 10 кВт мощности двигателя⁵.

Радикально решить проблему могла бы предварительная сепарация очесанного вороха до его поступления в молотилку с целью выделения из него свободного зерна и направления последнего непосредственно на очистку, минуя молотильный аппарат. Следует отметить, что синтезировано и испытано несколько вариантов сепарирующих устройств, которые справляются с поставленной задачей [17; 18]. В связи с этим актуальной научной и практической задачей является обоснование выбора наиболее перспективного варианта устройства для предварительной сепарации очесанного вороха, оптимизация его конструкции.

Обзор литературы

Чтобы сделать осознанный выбор оптимального варианта конструкции сепарирующего устройства целесообразно, во-первых, четко установить пределы варьирования основных параметров очесанного вороха. У разных авторов они варьируются в широких пределах. Так, содержание свободного зерна в ворохе может меняться в пределах от 60 до 85 %, оборванных колосьев – от 10 до 25 %, а соломистых компонентов – от 7 до 25 %⁶. При этом следует помнить, что широкие пределы варьирования параметров вороха могут быть обусловлены как конструктивными особенностями очесывателей, так и разными параметрами их настройки. Увеличение частоты вращения очесывающего барабана способствует росту доли свободного зерна, но наряду с этим возрастает и вероятность дробления продукции⁷. Зависят качественные показатели очеса и от формы гребенок [19]. Положительное влияние на процесс очеса может оказать дополнительное сообщение им поперечных колебаний [14]. Нельзя игнорировать и влияние на результат состояния агрофона. Так, например, в рамках одного исследования при работе на разных полях содержание в ворохе свободного зерна варьировалось от 69,4 до 82,7 %⁸.

Касательно степени дробления зерна отметим, что при испытании жатки «Славянка УАС» его содержание в бункере комбайна не превысило 2 %, тогда как при использовании жатки ЖОНТУ-6 этот показатель увеличился до 2,63 %⁹. В наших исследованиях доля дробленного зерна в бункере временами приближалась к 5 % [20].

Авторами настоящей статьи было выявлено, что испытания очесывателя с предварительной сепарацией свободного зерна свидетельствуют о доминирующей роли в указанном негативном явлении молотильного барабана [18]. В связи с этим задача дальнейшего исследования сводится к выбору наиболее приемлемого конструктивного решения сепарирующего устройства.

Наиболее многочисленные конструктивные решения предполагают снабжение наклонной камеры решетчатым днищем. При этом различия сводятся к способу подачи выделенного из вороха свободного зерна на очистку. Есть вариант, в котором для этой цели используется дополнительный скребковый транспортер [21; 22]. В качестве альтернативы указанному транспортеру могут служить наклонные шнеки [23–25].

Вторая группа технических решений предполагает размещение вслед за очесывающим барабаном домолачивающего, сквозь решетку подбарабанья которого свободное зерно должно просыпаться вниз и отводиться [26]. Существует несколько аналогичных технических решений, обладающих общими недостатками. Во-первых, домолачивающее устройство, размещенное в наклонной камере, дополнительно воздействует на поток зерна, вызывая его излишнее дробление и способствуя этим нерациональному расходу энергии. Во-вторых, дополнительный вес перегружает передний мост комбайна и ухудшает его управляемость. Кроме того, должна быть существенно усилена конструкция остова молотилки. Негативные побочные явления при такой модернизации комбайна могут превысить по значимости получаемый от нее положительный эффект.

Третья группа технических решений предполагает размещение сепарирующего устройства непосредственно перед молотильным барабаном или вместо него [27; 28]. С точки зрения оптимизации технологического процесса и сложившегося традиционно распределения веса между мостами комбайна такое компоновочное решение предпочтительно. Однако при этом необходимо сдвигать назад молотильный барабан и укорачивать соломотряс из-за радикального уменьшения поступления на него соломистой массы. Таким образом, комбайн должен быть подвергнут радикальной перекомпоновке.

С точки зрения принципа работы укрупненно можно сформировать две альтернативные группы технических решений. В первой сепарация осуществляется на наклонной решетчатой поверхности, а во второй – на горизонтальной или близкой к горизонтальной [29]. Наряду с сопоставлением весовых и компоновочных аспектов конкурирующих конструктивных решений целесообразной является оценка влияния на скорость сепарации пространственной ориентации сепарирующей решетки.

Если за ближайший аналог по принципу работы принять бункерные устройства, используемые для накопления и кратковременного хранения зерна, то скорость его истечения из отверстий при разной пространственной ориентации последних существенным образом изменяется. Так, при боковой разгрузке бункера скорость истечения зерна выражается следующей зависимостью:

$V_{\alpha } = V · \sin \alpha$,                                                                                                (1)

где α – положение выпускающего лотка по отношению к горизонтальной плоскости, град; V – вертикальная составляющая скорости истечения зерна, м/с.

С точки зрения законов гидравлики, скорость истечения сыпучего материала может быть определена следующим образом:

$V \approx \lambda · \sqrt{2 · g · h}$,                                                                                         (2)

где h – координата высоты столба сыпучего материала, м; g – ускорение свободного падения, м/с²; λ – коэффициент истечения, варьирующий в пределах 0,2–0,65¹⁰.

Широкие пределы варьирования величины коэффициента λ обусловлены тем, что разные сыпучие материалы не могут быть сопоставимы по своим параметрам, определяющим скорость истечения, главным из которых является угол внутреннего трения φ^[11]. С этой точки зрения истечение из отверстий чистого зерна не вполне соответствует по характеру и параметрам аналогичному процессу для очесанного зернового вороха, в котором кроме зерна присутствуют легкие примеси и соломистые компоненты. Более того, как было установлено ранее, при истечении мелких компонентов очесанного вороха, перемещаемого скребком транспортера по поверхности решетки, имеют место движение наклонных слоев и качение зерен внутри каждого соскальзывающего слоя [19]. Если же рассматривать скорость истечения мелких компонентов очесанного вороха как среднестатистический показатель, формула (1) свидетельствует о принципиальном преимуществе горизонтальной ориентации решетки, тогда как величину указанного преимущества можно определить только экспериментальным путем, чему и посвящено настоящее исследование.

Материалы и методы

Лабораторная установка представляла собой колосовой элеватор зерноуборочного комбайна КЗС-1218 «ПАЛЕССЕ GS12» (рис. 1), смонтированный с возможностью регулировки его положения в горизонтальной плоскости. Для проведения исследований нижняя стенка корпуса элеватора была демонтирована, а вместо нее установлено сменное экспериментальное решето с продолговатыми отверстиями, длина которых составляла 900 мм. Под решетчатым днищем установки была смонтирована емкость для сбора и накопления вороха, прошедшего сквозь отверстия. Скорость скребкового транспортера устанавливалась посредством частотного преобразователя «Веспер» Е2-8300 [17].

Методика проведения лабораторных экспериментов была следующей. После включения установки внутрь корпуса элеватора подавался очесанный ворох, содержащий 80 % свободного зерна, 10 % оборванных колосков и 10 % соломы [18]. Его подача в пересчете на ширину элеватора соответствовала пропускной способности молотилки серийного комбайна КЗС-1218 и составляла 1 кг/с. После этого учитывалась суммарная масса вороха, прошедшего сквозь отверстия решетки, путем взвешивания и суммирования прохода из четырех секций съемной емкости. При этом фиксировали и массу схода с поверхности решетки. В качестве объекта исследования был выбран очесанный ворох озимой пшеницы сорта «московская 56» [30], отобранный на учебно-опытном поле Брянского государственного аграрного университета. Влажность зерна составляла 12 %.

 

Рис. 1. Экспериментальная установка: 1 – рама; 2 – корпус элеватора; 3 – сменная решетка; 4 – емкость для сбора и накопления свободного зерна; 5 – электродвигатель; 6 – цепная передача; 7 – преобразователь частотный «Веспер» Е2-8300

Fig.1. Experimental setup: 1 – frame; 2 – elevator body; 3 – replaceable grid; 4 – container for collecting and accumulating separated grain; 5 – electric motor; 6 – chain transmission; 7 – frequency converter Vesper E2-8300

 

Исследования проводились в два этапа. В первой серии экспериментов корпус элеватора был установлен горизонтально, а во второй – под углом 45° к горизонту. Ширина отверстий решетчатого днища имела четыре уровня варьирования (6, 8, 10 и 12 мм), а скорость скребкового транспортера составляла 3 м/с. При этом выбор интервалов варьирования ширины отверстий решетчатого днища обусловлен необходимостью исключения прохода колосовой части урожая при гарантированной сепарации свободного зерна. Каждый вариант опыта проводился в пятикратной повторности.

Результаты исследования

По результатам лабораторных исследований получена зависимость прохода свободного зерна от ширины отверстий сепарирующей решетки (рис. 2).

 

Рис. 2. Влияние ширины отверстий сепарирующей решетки на проход свободного зерна: а) корпус элеватора установлен горизонтально; b) корпус элеватора установлен под углом 45° к горизонту

Fig.2. The effect of the width of the separating grid openings on the passage of separated grain: a) the elevator body is installed horizontally; b) the elevator body is installed at an angle of 45° to the horizon

 

Полученные данные свидетельствуют о том, что с увеличением ширины отверстий решетчатой поверхности интенсивность сепарации свободного зерна повышается. Вначале функция резко возрастает, а затем, достигнув некоторой критической величины (ширины отверстий b = 10 мм), интенсивность сепарации увеличивается несущественно. Это может быть обусловлено тем, что необмолоченные колосья частично перекрывали отверстия сепарирующей решетки, вследствие чего уменьшалась площадь их «живого сечения». При этом поступление колосовой фракции очесанного вороха во всех вариантах опытов в емкость для сбора и накопления свободного зерна не наблюдалось.

Кроме того, установлено, что в горизонтальном положении сепарирующая решетка обеспечивает проход свободного зерна в интервале 64–90 %, а в наклонном (под углом 45° к горизонту) – 55–78 %. Следовательно, разница между сепарирующей способностью у сравниваемых вариантов пространственной ориентации решетчатого днища составляет порядка 15–16 %. Таким образом, максимальная пропускная способность (90 %) соответствует горизонтальному положению решетчатого днища экспериментальной установки и ширине отверстий b = 12 мм.

 

Рис. 3. График убывания свободного зерна по длине сепарирующей решетки при горизонтальном расположении элеватора: а) ширина отверстий b = 6 мм; b) ширина отверстия b = 8 мм; c) ширина отверстия b = 10 мм; d) ширина отверстия b = 12 мм

Fig.3. The graph of the decrease of grain along the length of the separating grid with the horizontal location of the elevator body: a) the width of the openings b = 6 mm; b) the width of the openings b = 8 mm; c) the width of the openings b = 10 mm; d) the width of the openings b = 12 mm

 

По результатам лабораторных исследований построены графики убывания свободного зерна по длине сепарирующей решетки (рис. 3, 4). Что касается наличия свободного зерна, сходящего с сепарирующей решетки, то, во-первых, сепарация с гарантированным результатом невозможна [31; 32]. Во-вторых, имеется резерв для увеличения степени сепарации. Об этом свидетельствует характер линии тренда, построенного по остатку зерна в ворохе по мере прохождения каждой из четырех емкостей, размещенных под сепарирующей решеткой. Следовательно, для достижения результата, приближающегося к 100 %, следует увеличить длину сепарирующей решетки [33; 34].

 

Рис. 4. График убывания свободного зерна по длине сепарирующей решетки при расположении корпуса элеватора под углом 45° к горизонту: а) ширина отверстия b = 6 мм; b) ширина отверстия b = 8 мм; c) ширина отверстия b = 10 мм; d) ширина отверстия b = 12 мм

Fig. 4. A graph of the decrease in free grain along the length of the separating grid when the elevator body is located at an angle of 45° to the horizon: a) the width of the openings b = 6 mm; b) the width of the openings b = 8 mm; c) the width of the openings b = 10 mm; d) the width of the openings b = 12 mm

 

Экстраполяция линии тренда (рис. 5) позволила спрогнозировать минимально допустимую длину перфорированной решетки, необходимую для полного выделения свободного зерна в экспериментальной установке.

 Горизонтальное расположение решетки/ Horizontal grid arrangement

C₁:= -79.824 · L + 100.29 = 0 solve, L → 1.256

C₂:= -98.459 · L + 99.507 = 0 solve, L → 1.011

С_₃:= -108.27 · L + 96.912 = 0 solve, L → 0.895

С_₄:= -113.49 · L + 100.48 = 0 solve, L → 0.885

Наклонное расположение решетки/ Inclined grid arrangement

С₅:= -68.512 · L + 99.899 = 0 solve, L → 1.458

С₆:= -83.463 · L + 101.65 = 0 solve, L → 1.218

С₇:= -92.405 · L + 98.718 = 0 solve, L → 1.068

С₈:= -96.43 · L + 97.514 = 0 solve, L → 1.011

 Рис. 5. Определение минимально допустимой длины перфорированной решетки в программе Mathcad

Fig.5. Determination of the minimum allowable length of a perforated grid in the Mathcad program

 

По результатам экстраполяции (рис. 5) получена зависимость длины сепарирующей решетки от ширины ее отверстий (рис. 6). Она свидетельствует о том, что с увеличением ширины отверстий длина решетчатой поверхности снижается. При этом длина решетчатого днища в горизонтальном положении должна быть не менее 0,9 м, а в наклонном – 1,01 м.

 

Рис. 6. Зависимость длины сепарирующей решетки, необходимой для полной сепарации свободного зерна от ширины ее отверстий: а) корпус элеватора установлен горизонтально; b) корпус элеватора установлен под углом 45° к горизонту

Fig.6. Dependence of the length of the separating grid for complete separation of grain on the width of its openings: a) the elevator body is installed horizontally; b) the elevator body is installed at an angle of 45° to the horizon

 

Следовательно, использование горизонтальной сепарирующей решетки позволяет, в сравнении с ее наклонным положением, снизить металлоемкость устройства на 14–16 %.

Таким образом, для минимизации металлоемкости конструкции устройства, обеспечивающего предварительное выделение свободного зерна, целесообразно использовать горизонтальную сепарирующую решетку с шириной отверстий b = 12 мм.

Обсуждение и заключение

Анализ экспериментальных данных свидетельствует о том, что принятое за аналог боковое истечение зерна из бункера (формула 1) не отражает ситуацию в полной мере в случае сепарации очесанного вороха [35]. При угле наклона выходного отверстия бункера в 45° его пропускная способность должна была бы уменьшиться на 41 %. В реальности степень уменьшения пропускной способности оказалась на уровне только 15–16 %.

Для объяснения такой значительной разницы в ожидаемом и фактическом результатах была синтезирована новая модель процесса, суммирующая гипотезу об истечении зерна из бункера с полученной ранее гипотезой соскальзывания его наклонных слоев (рис. 7). Объединенная гипотеза предполагает, что часть компонентов просыпаются сквозь отверстия вертикально (по стрелкам 4), из-за чего пропускная способность в этом компоненте зависит от горизонтальной проекции размера выпускного отверстия B₀. При наклоне решета на угол α ширина пропускного сечения уменьшается до размера B₁ = B₀· cos α (рис. 7b).

 

Рис. 7. Схема истечения очесанного вороха из отверстия решета: а) горизонтального; b) наклонного; 1 – отверстие; 2 – скребок транспортера; 3 – очесанный ворох; 4, 5 – доминирующие направления движения вороха

Fig.7. The diagram of the combed heap outflow from the grid opening: a) horizontal; b) inclined; 1 – opening; 2 – conveyor scraper; 3 – combed heap; 4, 5 – dominant directions of heap movement

 

Вторая часть компонентов очесанного вороха соскальзывает в отверстие под углом естественного откоса φ (по стрелкам 5). Следовательно, правомерно предположить, что пропускная способность отверстия для второй группы компонентов истечения пропорциональна поперечному сечению наклонного зернового потока. При горизонтальном размещении решета поперечный размер отверстия равен B₂ (рис. 7а), а при наклонном решете – B₃ (рис. 7b).

Предложенная гипотеза адекватно описывается следующим эмпирическим уравнением:

$\underset{}{\overset{}{}}\mu =\alpha · \frac{1}{\cos \alpha } + b · \frac{\sin {\phi }^{{{}^{}}^{}}}{\cos \left(\alpha + \phi - \raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)}$,                                                       (3)

где a и b – долевое участие компонентов с вертикальным и наклонным проходом сквозь отверстие решета; μ – отношение пропускной способности горизонтального и наклонного решета.

Если принять, что вертикальное и наклонное прохождение компонентов через отверстия равновероятны, то уравнение примет следующий вид:

$\underset{}{\overset{}{}}\mu =a · \frac{1}{\cos \alpha } + b · \frac{\sin {\phi }^{{{}^{}}^{}}}{\cos \left(\alpha + \phi - \raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)}$.                                                             (4)

Для оценки численного значения соотношения μ примем, что угол φ естественного откоса для очесанного вороха равен 60°. Тогда при угле α = 45° μ = 1,152. Результат, полученный экспериментально, близок к значению исследуемого параметра, вычисленного по эмпирической формуле. При увеличении угла наклона решета до 60° μ увеличивается до 1,5. При уменьшении угла наклона величина μ уменьшается. При α = 0° μ = 1. Так, принятая гипотеза и эмпирическая формула адекватно отражают характер процесса.

На основании приведенного выше анализа можно сделать следующие выводы. Во-первых, максимальный проход свободного зерна через отверстия сепарирующей решетки составляет 90 % при ее горизонтальном положении и ширине отверстий b = 12 мм. Во-вторых, экстраполяция линии тренда свидетельствует о том, что для обеспечения полного выделения свободного зерна, содержащегося в очесанном ворохе, длина сепарирующей решетки должна быть не менее L = 0,9 м. Для этого необходимо укоротить на соответствующую величину длину соломотряса и сместить назад молотильный барабан, освободив место для монтажа сепарирующего устройства. В-третьих, использование горизонтальной сепарирующей решетки позволяет снизить металлоемкость устройства на 14–16 % (в сравнении с ее наклонным положением). Подводя итоги, также хочется отметить, что дальнейшие исследования целесообразно провести на других зерновых культурах при варьировании влажности очесанного зернового вороха.

 

¹ Алтухов И. А., Васютин А. С. Зерно России. М.: ЭКОНДС-К, 2002. 432 с.

² Сельское хозяйство в России. М.: Росстат, 2021. 100 c.

³ Растениеводство [Электронный ресурс]. URL: https://agrobook.ru/blog/user/olga-shupta/nemeckaya-pressa-zapodozrila-claas-v-narushenii-sankciy-protiv-rossii (дата обращения: 23.06.2023).

⁴ Пустыгин М. А. Теория и технологический расчет молотильных устройств. М.: ОГИЗСЕЛЬХОЗГИЗ, 1948. 96 с.

⁵ Никитин В. В. Совершенствование технологической схемы зерноуборочного комбайна и параметров его рабочих органов: дис. … д-ра техн. наук. Брянск, 2021. 350 c.

⁶ Там же.

⁷ Савин В. Ю. Обоснование рациональных параметров и режимов работы прицепного очесывающего устройства для уборки зерновых культур: автореф. дис. … канд. техн. наук. Воронеж, 2011. 22 с.

⁸ Червяков И. В. Совершенствование процесса уборки зерновых культур комбайновым очесом: автореф. дис. … канд. техн. наук. Ростов н/Д, 2020. 22 с.

⁹ Жатка трансформируемая очесывающая навесная ЖОНТУ-6 [Электронный ресурс]. URL: https: //skmis.ru/test/test_result/2013/test_prijom2013/zernouborochnaya_technika/gatka_gontu_6.html (дата обращения: 23.06.2023).

¹⁰ Зенков Р. Л., Гриневич Г. П., Исаев В. С. Бункерные устройства. М.: Машиностроение, 1977. 225 с.

¹¹ Волошин В. Е. Элеваторы и склады: методические указания. Оренбург: ОГУ, 2019. 53 с.

About the authors

Viktor V. Nikitin

Bryansk State Agrarian University

Email: viktor.nike@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1393-2731
ResearcherId: AAD-7368-2022

Dr.Sci. (Engr.), Head of the Technical Service Chair

Russian Federation, 2a Sovetskaya St., Bryansk Oblast, Kokino 243365

Viktor N. Ozherelev

Bryansk State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: vicoz@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-2121-3481
ResearcherId: AAD-8298-2022

Dr.Sci. (Agric.), Professor of the Chair of Technical Systems in Agribusiness, Environmental Management and Road Construction

Russian Federation, 2a Sovetskaya St., Bryansk Oblast, Kokino 243365

References

Supplementary files