Improvements in Broom Corn Harvesting Process

Толық мәтін

Введение

Обеспечение высокого качества уборки веничного сорго при минимизации затрат труда возможно путем совершенствования существующих, а также разработки новых технологий и технических средств уборки. Новые технологические и технические решения должны обеспечивать сокращение доли или полное исключение ручного труда. Важность роста эффективности уборки веничного сорго обусловлена тем, что существующие технологии уборки и рабочие органы для их реализации не отвечают агротехническим требованиям по качеству обмолота метелок. В них остается до 3 % необмолоченного зерна, обламываются ветви высшего порядка, метелка сохраняется не более чем на 90 %, уборка требует значительных трудозатрат.

Цель работы: совершенствование технологии уборки веничного сорго на основе комплексного критерия эффективности.

Обзор литературы

Усовершенствованная технология уборки веничного сорго должна обеспечивать получение высококачественного сырья для производства веников, щеток и т. п. и семян или зерна для технических целей или на фураж.

Особенностью веничного сорго при уборке, выполняемой при полной спелости зерна, является то, что листостебельная масса имеет высокую влажность, равную 65–70 %. Поэтому для сохранения элементов метелки в процессе ее обмолота необходимо применять специальные машины. Однако промышленность такие машины не выпускает. В связи с этим в хозяйствах приспосабливают существующие молотильные устройства. При этом требуется подсушка растений до влажности 25–30 %.

Обмолот веничного сорго в основном проводится на стационаре, но с существенными затратами труда.

До настоящего времени в хозяйствах, возделывающих веничное сорго, применяются следующие технологии уборки и послеуборочной обработки [1]:

1. Скашивание растений, уборка с поля, скирдование, сушка растений в скирдах активной вентиляцией, обмолот;
2. Скашивание растений, досушивание растений, уложенных на поле, скирдование, хранение, обмолот;
3. Скашивание растений, досушивание растений, уложенных на поле, транспортировка на стационар, обмолот, хранение в скирдах;
4. Скашивание растений, формирование из них снопов, транспортировка снопов на стационар, обмолот снопов, досушивание обмолоченных растений, скирдование, хранение;
5. Подсушивание путем десикации, скашивание растений с последующим формированием снопов, вывоз с поля снопов на стационар, обмолот снопов, хранение обмолоченных растений в скирдах.

Если для уборки зернового сорго могут применяться современные очесывающие жатки [2], то для уборки веничного сорго прямым комбайнированием промышленность России и зарубежные страны не выпускают машин, поэтому в условиях Волгоградской области чаще всего применяется технология, включающая в себя следующие операции: скашивание растений, досушивание растений, уложенных на поле, транспортировка на стационар, обмолот, хранение в скирдах.

В ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» разработан принципиально новый инерционно-очесный способ обмолота метелочных культур. Данный способ реализован в молотильно-сепарирующем устройстве (МСУ) комбайна для уборки сорго и других метелочных культур.

Разработаны технологические схемы комбайнов с МСУ инерционно-очесного типа для уборки на корню веничного и зернового сорго, проса и других метелочных культур [1]. При этом запатентованы навесные одно- и многомодульный (рис. 1–4) и прицепной многомодульный комбайны для уборки сорго (рис. 5) [3–5].

 

 

Рис. 1. Схема одномодульного навесного комбайна для уборки метелочных культур:
1 – самоходное шасси; 2 – модуль; 3 – навесное устройство; 4 – жатка;
5 – зерновой бункер; 6 – система транспортировки зерна; 7 – транспортер растений;
8 – тракторная тележка; 9 – электрооборудование и сигнализация

 

Fig. 1. Scheme of a single-module mounted combine harvester for harvesting paniculates:
1 – self-propelled chassis; 2 – module; 3 – mounted device; 4 – thresher; 5 – grain tank; 6 – grain
transport system; 7 – plant conveyor; 8 – tractor car; 9 – electrical equipment and alarm system

 

 

 

 

 

Рис. 2. Макет одномодульного навесного комбайна для уборки метелочных культур

Fig. 2. Prototype of single-module mounted combine harvester for harvesting paniculates

 

 

 

 

 

Рис. 3. Схема двухмодульного навесного комбайна для уборки метелочных культур:
1 – самоходное шасси; 2 – гидравлическая навесная система; 3 – зерновой бункер;
4 – жатка; 5 – транспортер растений; 6 – прицеп; 7 – рама; 8 – модуль;

9 – прямоточная выносная молотильная камера; 10 – нормализатор;

11 – промежуточный транспортер; 12 – синхронизирующая передача; 13 – борт

Fig. 3. Scheme of two-module mounted combine harvester for harvesting paniculates:
1 – self-propelled chassis; 2 – hydraulic mounted system; 3 – grain hopper; 4 – thresher;
5 – plant conveyor; 6 – trailer; 7 – frame; 8 – module;

9 – direct flow offset threshing chamber; 10 – normalizer;

11 – intermediate conveyor; 12 – timing drive; 13 – guards 

 

 

 

 

Рис. 4. Макет двухмодульного навесного комбайна для уборки метелочных культур

Fig. 4. Pototype of double-module mounted combine harvester for harvesting paniculates

 

 

 

 

Рис. 5. Схема двухмодульного прицепного комбайна для уборки метелочных культур:
1 – энергетическое средство; 2 – прицепная колесная рама; 3 – гидравлическая навеска;
4 – нормализатор; 5 – ПВМК; 6 – устройство подачи зерна; 7 – бункер;

8 – выгрузной механизм; 9 – автономный двигатель; 10 – распределительное устройство;

11 – жатка; 12 – транспортер растений; 13 – прицеп; 14 – карданная передача

Fig. 5. Scheme of a double-module trailed combine harvester for harvesting paniculates:
1 – power plant; 2 – hook-on wheel frame; 3 – hydraulic mounted device; 4 – normalizer;
5 – direct flow offset threshing chamber (DFOTC); 6 – grain feeder; 7 – hopper; 8 – unloader;
9 – self-contained engine; 10 – distributor; 11 – thresher; 12 – plant conveyor; 13 – trailer;
14 – universal-joint drive

 

 

Технологический процесс уборки зерновых колосовых и метелочных культур разработанными навесными комбайнами для уборки метелочных культур осуществляется следующим образом.

При уборке сорго растения подхватывает так называемый нормализатор 10 (рис. 3) модуля 8 МСУ и отклоняет их, устанавливая перпендикулярно к плоскости битеров, размещенных в прямоточной выносной молотильной камере (ПВМК) 9, где растения обмолачиваются. Вымолоченное зерно направляется в зерносборник, затем вентилятором засасывается в циклон, в котором отделяются пыль и легкие примеси. Зерно под действием силы тяжести падает из циклона вниз в емкость, перекрываемую заслонкой, в случае открытия которой зерно поступает в бункер 3 комбайна.

Воздух с отделенными от зерна пылью, легкими примесями и половой поступает в вентилятор, очищается от пыли с помощью фильтра, установленного на выходе вентилятора, и выбрасывается наружу.

Обмолоченные растения сорго срезаются жаткой 4 и под действием инерционных сил укладываются на транспортер 5, который перемещает их в прицепную тракторную тележку 6. Гидравлическая навеска 2 позволяет устанавливать ПВМК 9 на необходимую высоту.

Энергетическим средством одно- и двухмодульного навесного соргоуборочного комбайна является самоходное шасси Т-16М.

Важнейшим условием при разработке устройств, реализующих инерционно-очесный способ обмолота метелочных культур, является возможность применения их в комбайнах с высокой производительностью и заданным качеством уборки. Высокая производительность комбайнов обеспечивается применением прицепного многомодульного комбайна на базе мощных тракторов, например, тяговых классов 3,0, 4,0 и 5,0.

Энергетическим средством прицепного комбайна для уборки метелочных культур могут быть не только трактор или самоходное шасси, но и автомобиль или другое тяговое средство.

Рабочие органы прицепного комбайна для уборки метелочных культур (рис. 5), такие как нормализатор 4, ПВМК 5, устройство подачи зерна 6, выгрузной механизм 8, жатка 11, транспортер растений 12 приводятся в действие кинематической связью от распределительного устройства 10, энергия к которому подводится или передается от вала отбора мощности (при его наличии) энергетического средства 1 через карданную передачу 14 или от автономного двигателя 9. Кинематическая связь может осуществляться с применением, например, ременных, цепных и других механических передач, гидромоторов или электрических двигателей. При использовании в качестве энергетического средства 1 маломощных тракторов привод одного или нескольких рабочих органов может осуществляться от  вала отбора мощности трактора, а остальных – от автономного двигателя 9. При использовании энергетического средства 1, не имеющего вала отбора мощности, привод всех рабочих органов осуществляется от автономного двигателя 9, а в качестве энергетического средства 1 мощного трактора – привод всех рабочих органов может осуществляться от  вала отбора мощности трактора. Переключение потока мощности к рабочим органам от автономного двигателя комбайна 9 и от вала отбора мощности осуществляется  распределительным устройством 10, которое представляет собой двухпозиционную муфту, например, кулачковую, планетарную или фрикционную.

Все модели разработанных комбайнов оборудованы специальными модулями (рис. 6).

 

 

Рис. 6. Схема модуля комбайна для уборки метелочных культур:
1 – ПВМК; 2 – нормализатор; 3 – промежуточный транспортер; 4 – синхронизирующая передача

Fig. 6. Scheme of a combine harvester module for harvesting paniculates:
1 – direct flow offset threshing chamber (DFOTC); 2 – normalizer; 3 – intermediate conveyor;
4 – timing drive

 

 

Основными рабочими органами ПВМК являются битеры. В МСУ исследуемых комбайнов были установлены щелевые битеры с транспортирующей пластиной (рис. 7) с постоянной кривизной лопасти.

 

 

 

Рис. 7. Щелевые битеры с транспортирующей пластиной

Fig. 7. Slotted beaters with a transporting plate

 

 

Модуль комбайна, изготовленного по патенту РФ № 2199203 [6], обмолачивает растения на корню одного ряда, а модуль комбайна, изготовленного по патенту РФ № 2535255 [7], – два ряда растений.

Авторами А. И. Рядновым и О. А. Федоровой выполнена работа по обоснованию числа модулей комбайна с молотильно-сепарирующим устройством инерционно-очесного типа. При оптимизации числа модулей за ее критерий принята максимальная производительность соргоуборочного комбайна при допустимом уровне потерь урожая.

Зерно, обмолоченное ПВМК, может подаваться в бункер метателями вентиляторного типа, пневматическим устройством или винтовым конвейером. А. И. Рядновым обоснована конструктивно-технологическая схема пневмотранспортера зерна комбайна для уборки метелочных культур.

В связи с существенным варьированием высоты растений сорго различных видов и сортов и необходимостью обеспечения высокой надежности технологического процесса уборки, а следовательно, снижения потерь урожая комбайн оборудован многоступенчатым телескопическим навесным устройством.

До настоящего времени разработана теоретическая модель обмолота метелочных культур инерционно-очесным МСУ [8], оптимизированы параметры МСУ [9], изучены пути повышения производительности соргоуборочного комбайна, дана оценка пропускной способности рабочих органов, качества обмолота МСУ и показателей надежности систем соргоуборочного комбайна.

Так как в комбайне впервые использовано МСУ инерционно-очесного типа, то при его изучении учитывались результаты исследований ряда научных работ, в которых представлены результаты исследований очесного [9; 10–12] и инерционного [13; 14] способов обмолота,  режимов работы [15], степени  использования уборочных машин [16] по объему выполняемых работ [17], по влиянию сроков уборки на физико-механические характеристики сорго, в частности, на содержание полифенолов и флавоноидов [18]. Рассмотрены также различные характеристики сорго, учитываемые при проектировании техники для уборки сорго [19; 20].

Материалы и методы

Методической базой выбора эффективной технологии уборки веничного сорго явилась теория эффективности технических систем¹, в соответствии с которой разработан комплексный критерий, включающий в себя совокупность частных показателей и их относительную важность.

Первый этап выбора частных показателей – анализ факторов, влияющих на эффективность технологии уборки сорго, среди которых размерно-массовые характеристики растений и зерна, их влажность, густота и засоренность стеблестоя, равномерность созревания, варьирование высоты растений, технические характеристики и регулировки рабочих органов соргоуборочной машины и ее скоростной режим, уровень механизации, квалификация механизаторов, нагрузка на одну машину и другое.

Второй этап – опрос экспертов, ранжирование факторов по относительной важности, выбор частных показателей, имеющих максимальные значения коэффициентов относительной важности.

Выбраны следующие частные показатели эффективности технологии уборки веничного сорго:

1. Себестоимость уборки – определялась как сумма эксплуатационных затрат, приходящаяся на единицу убранной площади;
2. Сохранность метелки – оценивалась косвенным путем по массе элементов метелки в зерновом ворохе;
3. Доля вымолоченного зерна – определялась как отношение массы вымолоченного зерна к сумме масс вымолоченного зерна и зерен, оставшихся на метелке;
4. Потери метелок – определялись с учетом количества метелок на поле после уборки и в момент изготовления веников;
5. Суммарные потери зерна – определялись по стандартной методике;
6. Производительность соргоуборочной машины – определялась площадью сорго, убранной машиной в единицу времени;
7. Трудоемкость уборки – оценивалась суммой затрат труда на выполнение технологических операций с начала уборки до получения готового сырья для изготовления веников;
8. Удельная мощность машин, используемых на уборке сорго, – определялась как отношение суммы мощностей двигателей всех машин, используемых на уборке сорго, к убранной площади;
9. Материалоемкость машин, используемых на уборке, – оценивалась как отношение массы всех машин, используемых на уборке, к убранной площади сорго.

Третий этап – оценка частных показателей эффективности по результатам экспериментальных исследований.

Все экспериментальные исследования проводились на уборке веничного сорго на полях хозяйств Волгоградской области в течение пяти уборочных сезонов.

После обработки экспериментальных данных была дана оценка каждого частного показателя и с учетом значений коэффициентов их относительной важности рассчитан комплексный критерий эффективности для существующей и предлагаемой технологий уборки веничного сорго.

Результаты исследования

Предложено оценивать эффективность технологии уборки сорго не по отдельным частным показателям, а по комплексному критерию.

В соответствии с теорией эффективности технических систем² наиболее приемлемой при выборе технологии уборки веничного сорго из ряда возможных технологий является концепция оптимизации, при которой выбранная технология u $\in$ U должна обеспечивать максимальный эффект.

В этом случае функция агрегирования имеет вид:

$\varphi (W)=\frac{{\displaystyle \prod _{i=1}^{m_1}{W}_i}}{{\displaystyle \prod _{i=m_1+1}^m{W}_i}}$ ,                   (1)

где $i=\overline{\mathrm{1,}{m}_1}$  – частные показатели, которые необходимо увеличивать, а $i=\overline{m_1+\mathrm{1,}m}$ – уменьшать.

Числитель функции (1) можно отождествлять с целевым эффектом, а знаменатель – с затратами на его достижение.

Так как выбранные частные показатели эффективности, входящие в первую и вторую группы, неоднородны, имеют различные размерность и физический смысл, а  функция агрегирования (1) является векторной величиной, то для приведения функции (1) к скалярному виду используем эквивалентное преобразование:  вводим отношение фактических значений W_i к соответствующим требуемым W_i^t.

Тогда, функция (1) примет вид:

$\varphi (W)=\frac{{\displaystyle \prod _{i=1}^{m_1}\frac{W_i}{W_i^t}}}{{\displaystyle \prod _{i=m_1+1}^m\frac{W_i}{W_i^t}}}$ .                 (2)

Обозначив:

${\displaystyle \prod _{i=1}^{m_1}\frac{W_i}{W_i^t}}=K_1$ ,  ${\displaystyle \prod _{i=m_1+1}^m\frac{W_i}{W_i^t}}=K_2$ ,      (3)

 получим:

$\varphi (W)=\frac{K_1}{K_2}$ .                     (4)

В идеальном варианте K₁ = 1 и K₂ = 1.

Экспертная оценка показала, что выбранные частные показатели эффективности технологии уборки веничного сорго неравнозначны, имеют различную относительную важность. Для учета степени влияния каждого отдельного частного показателя на величину комплексного критерия определены коэффициенты их относительной важности γ_i.

При этом γ_i ≥ 0, ${\displaystyle \sum _{i=1}^m{\gamma }_i=1}$ .

С учетом γ_i функция агрегирования, критерий эффективности (2), примет вид:

$\varphi (W)=\frac{{\displaystyle \prod _{i=1}^{m_1}{\gamma }_i\frac{W_i}{W_i^t}}}{{\displaystyle \prod _{i=m_1+1}^m{\gamma }_i\frac{W_i}{W_i^t}}}$ ,              (5)

а с учетом обозначений (3):

$\varphi (W)=\frac{K_1{\displaystyle \prod _{i=1}^{m_1}{\gamma }_i}}{K_2{\displaystyle \prod _{i=m_1+1}^m{\gamma }_i}}$ .                (6)

Пусть:

 $K_1{\displaystyle \prod _{i=1}^{m_1}{\gamma }_i}=K_1^{*}$ и $K_2{\displaystyle \prod _{i=m_1+1}^m{\gamma }_i}=K_2^{*}$ ,     (7)

тогда комплексный критерий эффективности:

$\varphi (W)=\frac{K_1^{*}}{K_2^{*}}$ .                     (8)

По значению комплексного критерия эффективности рассматриваемых технологий уборки веничного сорго можно определить наилучшую, с точки зрения их комплексной оценки по совокупности ряда частных показателей.

С учетом преимуществ и недостатков используемых в настоящее время технологий уборки веничного сорго, а также возможностей соргоуборочного комбайна, реализующего инерционно-очесный способ обмолота метелочных культур, предложена новая технология уборки веничного сорго, включающая в себя следующие технологические операции:

1. Обмолот на корню веничного сорго с одновременным скашиванием обмолоченных растений жаткой комбайна;
2. Сбор скошенных и обмолоченных растений в тракторный прицеп;
3. Сбор вымолоченного зерна в бункер комбайна с последующей выгрузкой в транспортное средство;
4. Транспортировка обмолоченных и срезанных растений к месту хранения;
5. Скирдование обмолоченных растений с подсушиванием их активным вентилированием с последующим изготовлением веников, щеток и другого.

Фактические значения частных показателей эффективности существующей и предлагаемой технологий уборки веничного сорго определены экспериментальным или расчетным путем. Требуемые значения частных показателей эффективности принимались равными лучшим значениям, полученным при экспериментах с некоторыми допущениями.

Значения исследуемых частных показателей эффективности представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 Значения частных показателей эффективности уборки

Table 1 Values of particulate harvesting performance indicators

№ п / п No.	Частные показатели / Particular indicators	Технология уборки /Harvesting process		Требуемые значения частных показателей / Required values of particular indicators
		существующая / current technology	предлагаемая / proposed technology
1	Себестоимость уборки С, тыс. руб/га / Cost of harvesting C, thousands rubles/ha	60,0	45,00	35,00
2	Сохранность метелки H, % / Broom integrity H, %	90,0	99,00	100,00
3	Доля вымолоченного зерна D, % / Share of threshed out corn D, %	97,0	98,60	99,00
4	Потери метелок (M), % /Loss of brooms M, %	15,0	5,00	5,00
5	Суммарные потери зерна S, % / Total corn loss S, %	2,9	1,00	1,00
6	Производительность соргоуборочной машины P, га/ч / Broom corn harvester performance P, ha/hr	0,1	0,34	0,34
7	Трудоемкость уборки (Т), чел.-ч./га / Labor input of harvesting Т, man-hr/ha	30,0	10,00	10,00
8	Удельная мощность машин, используемых на уборке сорго N, кВт/га / Specific power of harvesting machines N, kW/ha	21,4	20,00	20,00
9	Материалоемкость машин, используемых на уборке G, кг/га / Materials intensity of harvesting machines G, kg/ha	1220,0	1110,00	1000,00

 

 

Используя значения частных показателей эффективности, представленные в таблице 1, были определены отношения K_i  =  $\frac{W_i}{W_i^t}$ и значения коэффициентов K ₁ и K₂  (табл. 2).

 

Таблица 2 Расчетные значения К_i , К₁ и К₂

Table 2 Calculated values of K_i, K₁, and K₂

Технология уборки /Harvesting process	КH	КD	КP	К1	Кс	КM	КS	КT	КN	КG	К2
Существующая /Current technology	0,90	0,98	0,29	0,26	1,71	3,00	2,90	3,00	1,07	1,22	58,40
Предлагаемая /Proposed technology	0,99	0,99	1,00	0,99	1,29	1,00	1,00	1,00	1,00	1,11	1,43

 

 

Определены коэффициенты важности всех частных показателей эффективности уборки веничного сорго γ_i (табл. 3).

 

Таблица 3 Значение γ_i

Table 3 γ_i values

Частный показатель /Particular indicator	H	D	P	C	M	S	T	N	G
γi	0,149	0,188	0,075	0,153	0,119	0,115	0,081	0,058	0,062

 

 

По зависимости (7) рассчитаны значения коэффициентов K^*₁ и K^*₂, а по зависимости (8) – комплексный критерий эффективности для существующей и предлагаемой технологий уборки веничного сорго.  

По комплексному критерию эффективности предлагаемая технология уборки эффективнее применяемой в настоящее время более чем в 160 раз.

Обсуждение и заключение

Предложенная технология уборки веничного сорго базируется на применении разработанного навесного соргоуборочного комбайна, оборудованного МСУ инерционно-очесного типа. Применение предложенной технологии позволит существенно снизить суммарные потери зерна (в 2,9  раза), потери метелок и трудоемкость работ (в 3 раза) и в 3,4 раза повысить производительность применяемых машин. При этом расчетные значения коэффициентов K^*₁ и K^*₂ равны: для существующей  технологии K^*₁ = 5,44·10^–4 , K^*₂ = 0,35·10^–4 и предлагаемой K^*₁ = 20,71·10^–4 , K^*₂ = 0,008·10^–4.

Комплексный критерий эффективности для существующей технологии φ(W_i) = 15,54, а для предлагаемой – φ(W_i) = 2588,75.  

Таким образом, предложенная технология уборки веничного сорго существенно эффективнее применяемой в настоящее время.

 

 

¹           Надежность и эффективность в технике: справ. в 10 т. / Ред. совет: В. С. Абдуевский и др. М.: Машиностроение, 1986. Т. 3: Эффективность технических систем / Под общ. ред. В. Ф. Уткина, Ю. В. Крючкова. 328 с.

²           Там же.

Авторлар туралы

Aleksey Rjadnov

Volgograd State Agrarian University

Email: alex.rjadnov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2364-4944
ResearcherId: Y-7315-2019

Professor of Chair of Operation and Maintenance of Machines in the Agro-Industrial Complex, D.Sc. (Agriculture)

Ресей, 26 Universitetsky Prospekt, Volgograd 400002

Vyacheslav Fedorenko

Rosinformagrotech

Email: fedorenko@rosinformagrotech.ru
ORCID iD: 0000-0001-6398-4463
ResearcherId: A-9022-2018

Scientific Director of Rosinformagrotech, Academician of RAS, D.Sc. (Engineering), Professor

Ресей, 60 Lesnaya St, Pravdinskiy 141261

Olga Fedorova

Volgograd State Agrarian University

Email: foa_77@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2615-1101
ResearcherId: Y-8291-2019

Professor of Chair of Technical Systems in the Agro-Industrial Complex, D.Sc. (Engineering)

Ресей, 26 Universitetsky Prospekt, Volgograd 400002

Nikolay Mishurov

Rosinformagrotech

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: mishurov@rosinformagrotech.ru
ORCID iD: 0000-0002-1058-6952
ResearcherId: A-8970-2018

Deputy Director, Ph.D. (Engineering)

Ресей, 60 Lesnaya St, Pravdinskiy 141261

Svetlana Davydova

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: davidova-sa@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1219-3335
ResearcherId: Y-7174-2019

Leading Researcher, Ph.D. (Engineering)

Ресей, 5, 1 Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар