Rotary thrashing and separating devices

Abstract

The article provides a brief overview of rotary threshing and separating devices of self-propelled combine harvesters. Geometric parameters of the rotors and trends of their development are given.

Full Text

МСУ зерноуборочных комбайнов по способу движения растений делятся на тангенциальные и аксиальные. В первых, барабанно-дековых, растения перемещаются по дугам спиралей и окружностей перпендикулярно оси барабана. Во вторых, роторных, растения перемещаются по винтовым линиям вдоль оси ротора, проходя больший путь. Уменьшение силового воздействия на колосья с увеличением продолжительности таких воздействий позволяет комбайнам с РМСУ обеспечить снижение потерь, обусловленных травмированием и недомолотом зерна. Комбайны с РМСУ различают по расположению оси ротора, которая находится либо в продольной, либо в поперечной вертикальной плоскости (рис. 1). Первый роторный зерноуборочный комбайн TR70 с двигателем мощностью 125 кВт, оснащенный двухроторным МСУ (Twin Rotor), был выпущен компанией Sperry New Holland на заводе в Гранд-Айленде (Небраска, США) в 1975 г. [1]. Два параллельно установленных в кожухе продольных ротора (рис. 2, a), вращающихся в противоположных направлениях с угловой скоростью от 500 до 1325 мин-1, выполняют функции приемного, молотильного, сепарирующего и выгрузного устройств. РМСУ имеет четыре секции: приемную, молотильную, сепарационную и выгрузную. Приемная секция образована крылачами на валах роторов в цилиндрических кожухах. Вращающиеся навстречу винтовые лопасти захватывают колосья из наклонной камеры и транспортируют в секцию обмолота. На роторах установлены по четыре бича с рифлями (рифами) 1 в виде заостренных вверху клиновидных пластин на продольных планках. Выход зерен происходит под действием центробежных сил инерции и веса в секции обмолота через прутковые отверстия 2 подбарабаний, а в секции сепарации - через отверстия перфорированных решет. Выгрузная секция предназначена для выгрузки мякины из камеры молотилки винтовыми или спиралевидными лопатками. Направляющие винтовые витки 3 на верхней внутренней части кожуха обеспечивают движение растений вдоль осей роторов. Диаметр каждого ротора в секциях приемной, обмолота и сепарации соответственно равен 455, 430 и 425 мм, длина - 420, 710 и 1060 мм. С 1975 г. компания New Holland совершенствует технологию двухроторного обмолота. В 1984 г. на рынок вышли модели TR76, TR86 и TR96 третьего поколения, оснащенные роторами типа S3 (Staggered, Segmented and Spiraled) [2]. Такие роторы содержат сегментные молотильные бичи в секции обмолота и сепарационные лопатки, расположенные рядами по винтовым линиям в шахматном порядке (рис. 3). В модели TR95 ротор в приемной секции стал сужающимся с радиусом витков от 683 до 427 мм, а кожух - коническим, что способствует увеличению плотности растений на входе в секцию обмолота. Начиная с комбайнов моделей CR920, CR940, CR960, CR970 седьмого поколения 2002 г. конструкция роторов длиной 2642 мм становится более совершенной. На комбайнах с двигателями мощностью 300 кВт и выше устанавливаются роторы с диаметорм 599 мм в молотильной секции и неизменным радиусом в приемной секции, рифли сегментированных бичей превращаются в насечку. Зерноуборочные комбайны серии CR9000 восьмого поколения 2007 г. и последующих поколений до 2016 г. доступны в трех или двух конфигурациях за счет их оснащения сменными роторами для «щадящего» и «агрессивного» обмолота зерновых. На роторах наряду с молотильными бичами устанавливают сепарационные лопатки в виде кронштейнов. Для «агрессивного» обмолота при обработке мелкого зерна, риса, а также переувлажненных растений в комбайнах серии CR9000 и последующих поколений стали применять роторы типа Twin Pitch с 44 клиновидными бичами. Современные модели зерноуборочных комбайнов компании New Holland разработаны на основе сорокалетнего опыта применения двухроторной технологии обмолота и сепарации. Комбайны CR6.80, CR6.90 и CR7.90 с двигателями мощностью от 275 до 330 кВт оснащены роторами типа S3 длиной 2642 мм и диаметром 432 мм в секции обмолота с двумя винтовыми лопастями в приемной секции; модели CR8.90, CR9.90 и CR10.90 с двигателями мощностью от 380 до 481 кВт - роторами диаметром 599 мм с тремя винтовыми лопастями. Для «агрессивного» обмолота на этих комбайнах, кроме модели CR6.80, устанавливают сменные роторы типа Twin Pitch. Роторная технология обмолота и сепарации зерна стала революционным решением, за которым последовали однороторные схемы. В 1977 г. компания International Harvester (с 1984 г. - Case IH, с 1999 г. входит в концерн CNH) представила РМСУ c одним продольным ротором (см. рис. 2, б), выпустив в США модели комбайнов 1440, 1460 и 1480 с технологией Axial Flow [3]. Установленный под углом 15о к горизонту продольный ротор длиной 2735 мм имеет четыре секции: приемную длиной 515 мм, молотильную длиной 1100 мм, сепарационную длиной 1120 мм и выгрузную (рис. 4, a). Приемная секция образована коническим крылачом на валу ротора с винтовыми лопастями диаметром от 860 мм на входе до 542 мм на выходе (от 996 до 762 мм в модели 1480). Двенадцать винтовых направляющих витков, укрепленных на верхней внутренней цилиндрической поверхности кожуха в секциях обмолота и сепарации под углом 22о к плоскости поперечного сечения (от 11 до 33о в модели 1480), обеспечивают транспортирование потока по винтовым траекториям вдоль оси ротора. Четыре винтовых рифленых бича и восемь прямых укороченных бичей выбивают зерна ударом и истиранием в зазоре между ротором и подбарабаньем молотильной секции. Через отверстия подбарабанья и решет зерна выходят под действием центробежных сил инерции и веса. В 1979 г. появились модернизированные модели 1460 и 1480, оснащенные ротором для риса (рис. 4, б). В 1984 г. был представлен новый специальный ротор Specialty Rotor, разработанный на базе ротора для риса и предназначенный для «агрессивного» обмолота мелкозерновых, зеленых и переувлажненных зерновых. Он содержал сегментные (укороченные) молотильные бичи с наклонными рифлями, четыре сепарационные пластины и три или две спиралевидные лопатки для выгрузки мякины (рис. 4, в, г). Продемонстрированный на комбайнах серии 1600 ротор предназначался также для серии 1400. В 2003 г. на комбайне модели 2388 с двигателем мощностью 206 кВт апробирован передовой ротор типа AFX диаметром 610 мм и длиной 2642 мм (рис. 5, a, б). На новой модели комбайна AFX8010 с двигателем мощностью 276 кВт установлен ротор диаметром 762 мм. Он позволил повысить производительность комбайна и с 2005 г. стал основным. Боковины сегментных молотильных бичей ротора имеют поверхность геликоида. Укрепленные болтами на трубе ротора в восемь рядов по винтовым линиям бичи своими боковинами образуют прерывистые витки шнека, плавно транспортирующие растения в кожухе по направляющим полосам. Набор сменных молотильных бичей позволяет легко адаптировать ротор AFX к обработке зерновых с различными свойствами. Геликоидные лопасти крылача с постоянным шагом, укрепленные на конусе ротора в приемной секции, быстро разгоняют частицы к кожуху и направляют в секцию обмолота. Решета подбарабанья и секции сепарации размещены с обеих сторон ротора и образуют радиальный угол 156-180°. Для обработки риса и зеленых зерновых в 2008 г. выпущен модифицированный ротор типа ST с меньшим диаметром трубы и высокими бичами (рис. 5, в, г). В 2011 (2012) г. для комбайнов моделей 7120, 8120 и 9120 (5088, 6088 и 7088) количество бичей ротора было увеличено с 36 (57) до 40 (60), усовершенствовано крепление бичей для предотвращения прокручивания (сокращено число спиралевидных толкателей с трех до двух). Наряду с ротором типа ST с 40 бичами для риса в новых комбайнах серии 240 (модели 7240, 8240 и 9240) с мощными двигателями (349, 414 и 466 кВт) также предусмотрено использование усовершенствованного ротора типа ST с уменьшенным диаметром трубы и 72 удлиненными по высоте молотильными бичами. В 2003 г. корпорация AGCO под брендом Massey Ferguson представила модели комбайнов 9690 и 9790 с двигателями мощностью 243 и 249 кВт, созданные на базе передовой роторной технологии ATR [4]. Компания Massey Ferguson была приобретена корпорацией AGCO в 1994 г. На базе Massey Combine Corporation в 1990 г. образована компания Western Combine Corporation (Канада), также вошедшая в корпорацию AGCO в 1996 г. Модели серии 9000 аналогичны моделям роторных комбайнов White 9700 и 9720 компании White Farm Equipment Canada, которая в 1986 г. была приобретена компанией Massey Ferguson, и модели Western 8570 компании Western Combine Corporation. Ротор длиной 3556 мм и диаметром 700 мм с четырехзаходным шнеком в приемной секции оснащен рифлеными бичами двух видов: короткими с широкими дугообразными рифлями в молотильной секции и длинными с наклонными рифлями в виде насечек на прямых планках в молотильной и сепарационной секциях (рис. 6, a). Гидростатический привод с двухскоростной и трехскоростной для мощных комбайнов коробкой передач позволяет поддерживать угловую скорость ротора постоянной. Следующее поколение комбайнов серии 9500 (модели 9520, 9540 и 9560) представлено в 2011 г. [5]. В комбайнах 9540, 9560 и следующей серии установлено полностью обновленное триадное устройство обмолота Trident Processer с сегментным ротором и механическим приводом. Такой ротор имеет диаметр 800 мм и оснащен комбинированными бичами с тремя наклонными рифлями и сепарационными лопатками, размещенными на винтовых линиях трубы ротора (рис. 6, б). Взаимозаменяемые узкие в виде пальцев и широкие лопатки обеспечивают эффективную сепарацию зерновых. Шесть взаимозаменяемых сегментов решет с отверстиями разных размеров позволяют установить любую из трех опций для обработки мелкозерновых, сои, кукурузы, бобовых. Пружинные элементы рамы крепления сегментов подбарабанья в моделях 9540 и 9560 позволяют решетам перемещаться и увеличивать зазор в молотильной камере при перегрузках и попадании в камеру инородных предметов, предохраняя ротор от поломок. В 2002 г. корпорация AGCO приобрела лицензию компании Caterpillar на выпуск тракторов под брендом Challenger, а также зерноуборочных комбайнов. С 2003 по 2009 г. корпорацией AGCO был выпущен ряд моделей комбайнов Challenger с ротором системы передовой обработки Advanced Harvesting System. Запатентованный валец системы питания Uniflow с геликоидными витками, установленными с обеих сторон навстречу друг другу, направляет однородный поток в молотильную камеру с охватом 360о вокруг оси ротора (рис. 6, в). Ротор, управляемый с помощью двух- или трехскоростной коробки передач, выполняет прием, обмолот, сепарацию и вывод потока без дополнительных шнеков, приводов и выгрузного битера. Семь или девять модулей подбарабанья с решетами охватывают ротор на дуге 204о (рис. 6, г). Аналогичные комбайны ML800 ARS с усовершенствованной роторной системой Advanced Rotor System и ротором диаметром 800 мм выпускались компанией Laverda (Италия), также вошедшей в корпорацию AGCO, с 2007 по 2011 г. Роторная технология обмолота и сепарации используется и в зерноуборочных комбайнах компании John Deere (США) серии STS: модели 9560, 9660, 9760, 9860, 9880 выпуска 1999 г.; 9570, 9670, 9770, 9870 выпуска 2007 г. Отличительная особенность роторного устройства (рис. 7, a) заключается в форме ротора длиной 3130 мм и диаметром 750 мм (кроме модели 95). Он имеет вид пули с закругленным наконечником (Bullet Rotor System) и осуществляет сепарацию одиночными пальцами (Single-Tine Separation System); 27 сегментных бичей и пальцев (рис. 7, б) обеспечивают обмолот, сепарацию и транспортирование растений вдоль винтовых полос, укрепленных в верхней части камеры. В роторных комбайнах серии S моделей 550, 650, 660, 670, 680, 690 с двигателями мощностью от 224 до 433 кВт [6] центральным рабочим органом служит ротор TriStream длиной 3124 мм и диаметром 762 мм (кроме модели 550) с закругленной пулеобразной приемной секцией (рис. 7, в). В секции обмолота 15 сегментных бичей расположены рядами по винтовым линиям и имеют наклонные параллельно линиям рифли. Для транспортирования растений предназначены поверхности рифлей, боковые поверхности бичей и винтовые полосы, укрепленные на верхней внутренней части кожуха. Шаг направляющих полос настроен на увеличение скорости частиц потока по мере их продвижения. Для риса, мелкозерновых и зерновых повышенной влажности компания разработала модифицированный ротор Variable Stream с удлиненным конусом, удлиненными бичами и специальными сепарационными пальцами (рис. 7, г). Скорость движения потока растений вдоль оси ротора регулируется оператором из кабины путем изменения угла наклона винтовых направляющих витков. Во избежание накручивания стеблей на ротор предусмотрена установка бичей с двумя краевыми болтами (зубьями). В период с 1981 по 1988 г. специалистами ГСКБ по комплексам машин для уборки зерновых культур г. Таганрог разработан и внедрен в производство роторный комбайн СК-10 «Ротор». На комбайне модели СК-10РВ был исследован ротор с четырьмя прямыми рифлеными бичами в секции обмолота, переходящими в винтовые витки в секции сепарации (рис. 8, a). В модернизированном варианте комбайна СК-10В «Ротор», разработанном совместно со специалистами МГАУ им. В.П. Горячкина, апробирована технология роторного обмолота с вращающимся кожухом, выполненным из гладких перфорированных решет (рис. 8, б). Комбайны компании Ростсельмаш «Дон 2600» («Дон 1500») выпуска 1988 г. и «Дон 2600ВД» выпуска 1989 г. оснащались роторными МСУ со стационарным и вращающимся кожухами соответственно. РМСУ успешно применялись и на прицепных комбайнах Тульского комбайнового завода ПК-3Р, КПР-2000, ПН-100, КЗПН-3. Современные роторные комбайны компании Ростсельмаш представлены линейкой моделей 740, 760, 750, 780 серии Torum с двигателями мощностью от 294 до 372 кВт [7]. Разработанные в 2009 г. на базе инновационной роторной системы обмолота Advanced Rotor System, они имеют ротор длиной 3200 мм и диаметром 762 мм и отличаются бесступенчатым планетарным вариатором, гидроуправлением и вращающейся декой (рис. 8, в). Дека состоит из трех окружных секций с переменными зазорами и охватывает ротор по всей окружности. По данным компании, вращение деки предотвращает зависание растений, забивание ротора и обеспечивает снижение энергопотребления на 8-10%. Приемная секция образована двумя каскадами крылачей на коническом основании с четырьмя лопастями в каскаде. Рифленые бичи в РМСУ установлены на продольных планках по всей длине секции обмолота. Секции сепарации и выгрузки совмещены. Функции сепарационных и выгрузных лопаток выполняют геликоидные витки на трубе ротора. Американская компания Gleaner (в 1955 г. приобретена компанией Allis-Chalmers, с 1991 г. входит в корпорацию AGCO) выпускает роторные комбайны с системой Natural Flow Processing (естественный поток обмолачиваемых растений), в которых ротор расположен поперек направления движения [8]. Первый комбайн модели N6 с двигателем мощностью 164 кВт был выпущен в 1979 г. Он оснащался ротором диаметром 640 мм и длиной 2190 мм, состоящим из вала, поперечных дисков и шести продольных балок, укрепленных на дисках и служащих опорами бичей, сепарационных и выгрузных лопаток. Камера состоит из трех секций: секции загрузки, первичного обмолота и первичной сепарации, содержащей приемное окно, гладкий и решетчатый кожухи; секции обмолота и сепарации (рис. 9, a); секции сепарации и выгрузки. Длина двух первых секций составляет 2015 мм, последней - 175 мм. Рифленые бичи болтами крепятся к опорным балкам. Двенадцать винтовых полос, укрепленных внутри кожуха в двух первых секциях, обеспечивают плавное перемещение потока бичами и сепарационными лопатками от входного окна к выходному по винтовым траекториям. Угол охвата подбарабанья составляет 50о, сепарационного решета с подбарабаньем - 360о. Выгрузка растений в выходное окно осуществляется шестью лопатками. Роторы такого типа устанавливались на комбайнах моделей N6, N5, N7, R6, R5, R7. Аналогичными роторами оснащались модели R60, R70, R40, R50 (рис. 9, б) и комбайн модели MX300 компании Laverda (Италия). Для комбайнов моделей R52, R55, R62, R72, R65, R66, R75, R76, выпущенных компанией в корпорации AGCO, разработан ротор типа CDF с контролируемым потоком (Controlled Dynamic Flow), позволяющий повысить качество обмолота тяжелых культур. Он состоит из вала и трубы, к которой крепятся бичи, сепарационные и выгрузные лопатки (рис. 9, в). Компания отмечает следующие достоинства поперечного ротора [9, 10]: растения при поступлении в приемную камеру движутся без скачков направления скорости, не сжимаются и не упираются в препятствия; угол охвата кожуха и решет равен 360о, что обеспечивает максимальные зоны обмолота и сепарации и предотвращает образование закрытой верхней зоны; расположение бункера за ротором, а не над ним позволяет увеличить его объем, улучшить устойчивость и снизить массу комбайна; горизонтальное положение ротора исключает гравитационные дисбалансы при движении вверх и вниз. Наряду с комбайнами серий N, R, S с 2006 по 2009 г. под брендом Gleaner выпускались модели 66, 76, 86 комбайнов серии A с продольным расположением ротора и характеристиками, сходными с характеристиками роторных комбайнов Massey Ferguson и Challenger. Представленный обзор позволяет сделать вывод о том, что на рынке роторных комбайнов доминируют модели, роторы которых имеют диаметр от 700 до 800 мм и длину от 2642 до 3556 мм, расположены продольно с наклоном или без наклона к горизонту и оснащены установленными вдоль винтовых линий сегментными рифлеными бичами с параллельными линиям рифлями.