Strategy for design improvement of a combine harvester

Full Text

Введение В условиях господства на рынке сельхозмашин транснациональных финансово-промышленных групп конкурентные позиции отечественных производителей за последнее десятилетие заметно ухудшились. Впервые в истории отечественного комбайностроения в 2013 г. на долю машин ОАО «Ростсельмаш» пришлось менее половины отечественного рынка. Что касается Красноярского комбайнового завода, то вместе с новым владимирским филиалом он удерживает лишь чуть более 3% рынка. На вторую позицию вышел «Брянсксельмаш» (27,28% рынка), осуществляющий сборку комбайнов «Полесье» в кооперации с белорусской фирмой «Гомсельмаш». Во-первых, заметное снижение объема продаж обусловлено тем, что существенно ухудшилось финансовое положение с.-х. товаропроизводителей [1], и это резко сузило рынок сбыта. Во-вторых, встраивание российского машиностроения в технологическую структуру зарубежных фирм приводит к тому, что почти половина стоимости зерноуборочного комбайна приходится на покупные изделия. Так, завод «Ростсельмаш» импортирует более 15% комплектующих. Девальвация национальной валюты делает такое разделение труда экономически нецелесообразным, поскольку рост цен на импортные комплектующие значительно опережает уровень инфляции. В условиях кризиса сбыта отечественные машиностроители привычно ориентируются на финансовую поддержку со стороны правительства, не в полной мере используя возможности конструкционного совершенствования техники. Это относится и к зерноуборочным комбайнам, потенциал совершенствования которых далеко не исчерпан. Цель исследования Непременным условием успеха в усиливающейся конкурентной борьбе становится ориентация на инновации, опирающиеся на нереализованные пока оптимальные алгоритмы воздействия на убираемую культуру и ее отдельные элементы. В этом отношении последняя разработка ОАО «Ростсельмаш» (роторный комбайн РСМ-181 Torum-740) не может быть отнесена к категории инновационного прорыва. Аналогичные роторные комбайны производят зарубежные конкуренты, а отсутствие у их машин вращающейся деки не сказывается отрицательно на потребительских свойствах продукции. В связи с этим следует углубить изучение физико-механических свойств объекта воздействия и сформулировать оптимальный алгоритм взаимодействия с ним рабочих органов комбайна. Объектом воздействия будем считать зерновые колосовые культуры, которые составляют более 80% объема убираемых зерноуборочным комбайном площадей. Формирование гипотезы исследования Выделим три базовых физико-механических свойства зерновых колосовых культур, перспективных для использования в качестве отправных точек совершенствования алгоритма воздействия рабочих органов на убираемые растения (рис. 1). Во-первых, следует учитывать соотношение зерна и соломы в поступающем в молотилку ворохе. Уменьшить негативное влияние излишней соломистости на энергоемкость процесса обмолота позволяет переход на очесывание растений на корню [2]. При таком способе уборки в 1,5-2 раза уменьшается поступление технологической массы в комбайн, что приводит к экономии до 70% энергии, которую комбайн, как правило, расходует на деформацию соломы в молотилке. Второе важное обстоятельство - то, что усилие отрыва зерна от стержня колоса при воздействии на него в поперечном направлении существенно меньше, чем при воздействии вдоль зерновки. Максимально реализовать имеющееся различие позволяет знакопеременное воздействие на колос в перпендикулярном направлении [3]. Третье свойство заключается в том, что у большинства зерновых колосовых культур чешуи, охватывающие каждую зерновку, дополнительно укрепляют ее положение и в процессе обмолота препятствуют эффективной реализации ударного воздействия бичей молотильного барабана, демпфируя ударный импульс. Значит, вне зависимости от способа отделения плодосодержащей части растения от земли (срезание традиционной жаткой или очес на корню) нужно предварительно разрушить или хотя бы ослабить чешуйчатое окружение каждой зерновки. По мере реализации указанных алгоритмов первого порядка (см. рис. 1) актуальной задачей становится максимальная адаптация последующих фаз технологического процесса к физико-механическим свойствам полученного вороха. Так, в случае очеса зерна на корню при осуществлении последующих фаз технологического процесса уборки начинает доминировать проблема чрезмерного содержания в ворохе мелких легких примесей и наличия свободных колосьев разной длины, содержащих различное количество остаточных зерен [4]. При этом в связи с практически полным отсутствием соломы резко уменьшается эффективность работы молотильного барабана, соломотряс оказывается недогруженным, а очистка, наоборот, перегруженной. Кроме того, велик риск дробления свободного зерна, поступающего в молотильную камеру без технологической цели. Следовательно, нужно осуществить предварительную сепарацию очесанного вороха до поступления в молотильное устройство. Что касается наличия в ворохе недомолоченных колосьев практически без соломы, то подход к выбору способа дальнейшего технологического воздействия на них должен быть аналогичен подходу к выбору типа автономного домолачивающего устройства. Результаты и их обсуждение Наиболее сложная задача - синтез молотильного устройства, способного эффективно реализовать знакопеременное воздействие на колос. Конструкционное решение было найдено (рис. 2), и устройство успешно испытано [3]. Знакопеременное воздействие на колос возникает в результате его взаимодействия с коническими поверхностями неподвижной деки 1 и совершающей угловые колебания вокруг вертикальной оси подвижной перфорированной деки 2 молотильного устройства. Обмолачиваемые колосья 4 под действием силы тяжести и колебаний перемещаются в молотильном зазоре вниз, а выделенные зерна просыпаются сквозь отверстия внутрь деки 2 и вместе с мелкими примесями поступают на очистку. Для подтверждения исходной гипотезы исследования проведены лабораторные измерения удельной работы, необходимой для выделения из колоса одной зерновки. В результате достоверно установлено, что использование поперечного знакопеременного нагружения связей зерновки со стержнем колоса обеспечивает по сравнению с традиционным барабаном бильного типа снижение энергоемкости обмолота в 4-5 раз [5]. Кроме того, экспериментально установлены оптимальные параметры рифов, выполненных на рабочих поверхностях дек молотильного аппарата [6]. Переход от лабораторного образца, успешно осуществляющего перспективный алгоритм воздействия на колос, к конструированию комбайна сопряжен с рядом трудноразрешимых проблем. Во-первых, при измерениях не учитывались дополнительные затраты энергии на деформацию соломы, что должно примерно в 2 раза уменьшить положительный эффект, зафиксированный в лабораторном опыте. Во-вторых, требуется радикальная перекомпоновка комбайна, на что пока не готовы производители зерноуборочной техники. Успешные лабораторные опыты также не служат убедительным мотивом для поддержки проекта инвесторами. В связи с этим план исследований был скорректирован в пользу интенсификации работы с очесанным зерновым ворохом, в котором присутствует минимум соломы, вследствие чего молотилка знакопеременного воздействия на колос могла бы максимально реализовать свой потенциал. Более того, оправдано ожидание синергетического эффекта от одновременного внедрения в конструкцию комбайна двух указанных технических решений. На протяжении многих десятилетий конструкционные параметры рабочих органов зерноуборочного комбайна и режимы их работы оптимизировались для работы с соломистой массой. Естественно, что обработка вороха, поступающего от очесывающего адаптера, обусловливает специфические требования к конструкции комбайна и режиму его работы. Опыт практической эксплуатации уборочной техники свидетельствует о том, что даже изменение ориентации колосьев в результате подачи обмолачиваемой массы «комлем вперед» резко изменяет характер взаимодействия с ней молотильного аппарата. Еще более существенных изменений параметров процесса требует обработка практически бесстебельного вороха, содержащего большую долю свободного зерна. Двухлетние испытания очесывающих адаптеров различных конструкций позволили сформировать принципиальные подходы к выбору направления адаптации зерноуборочного комбайна к наиболее эффективной работе с очесанным зерновым ворохом. Основные усилия должны быть сосредоточены на решении трех технологических проблем: - исключении поступления большей части свободного зерна в молотильный аппарат; - исключении поступления значительной части мелких легких примесей в очистку комбайна; - гашении (или технологическом использовании) избыточного воздушного потока, создаваемого очесывающим барабаном. Возможны два варианта использования энергии генерируемого очесывающим барабаном воздушного потока. Во-первых, он может быть использован для пневмотранспортирования и предварительного разделения вороха на фракции в циклоне 3 (см. рис. 2). Причем циклон удачно компонуется с молотильным устройством знакопеременного воздействия на колос, на которое должна поступать только тяжелая фракция 4 (недомолоченные колосья, отдельные соломины и свободное зерно) [7]. Дальнейшая сепарация тяжелой фракции вороха на верхней перфорированной поверхности 5 подвижной части 2 молотильного устройства должна исключить попадание свободного зерна в молотильный зазор между ней и неподвижной декой 1. Следует отметить, что этот вариант решения проблемы также требует радикальной перекомпоновки комбайна, что в сложившихся условиях предполагает значительный расход средств и времени на реализацию. В связи с этим рассмотрен вариант использования воздушного потока для отделения легких примесей непосредственно в корпусе очесывающего адаптера (рис. 3). С этой целью синтезирована конструкция пластинчатого сепаратора инерционного типа, способного вывести за пределы корпуса 1 вместе с воздушным потоком значительную часть легких примесей 2, превышающих по размерам свободное зерно 3 [8]. В испытанном ранее прототипе (конструкции завода «Пензмаш») избыточный воздух выбрасывался из корпуса адаптера через сетчатое окно, в связи с чем удалялись только примеси, не превышающие по размерам свободное зерно. Более крупные компоненты поступали в систему очистки и становились главным препятствием увеличения производительности комбайна, существенно уменьшая положительный эффект от очеса растений на корню. Таким образом, конструкция пластинчатого инерционного сепаратора решает сразу две проблемы: рациональное (в технологических целях) использование избыточного воздушного потока и освобождение от перегрузки системы очистки комбайна. Выделение свободного зерна из вороха до поступления в молотилку возможно на основе высокой степени дифференциации свободного зерна и недомолоченного колоса по размерам. В качестве рабочего органа может быть использована решетчатая или перфорированная поверхность. Если на первом этапе модернизации зерноуборочного комбайна ориентироваться на его минимальную перекомпоновку, то в качестве второй ступени предварительной сепарации вороха целесообразно использовать перфорированное днище наклонной камеры (рис. 4) [9]. Для максимальной интенсификации процесса сепарации свободного зерна отверстия 2, выполненные в днище 1, должны быть продолговатыми, а их боковые кромки ориентированы под острым углом α к направлению перемещения скребков 3 транспортера 4. Для исключения забивания отверстий колосьями продолжением каждого из них должна стать выемка 5 переменной глубины, выдавленная в днище. Тогда ости колосьев не смогут зацепляться за заднюю кромку 6 отверстия и нарушать технологический процесс. Опираясь на наклонную поверхность выемки, они должны подниматься по ней до уровня днища наклонной камеры, не вызывая сгруживания вороха. Математическое моделирование процесса выполнено для двух вариантов прохождения зерна через сепарирующее отверстие. В первом случае рассматривался процесс свободного полета зерна непосредственно с задней кромки отверстия. Во втором зерно из исходного положения C1 скользило вдоль боковой кромки отверстия до опрокидывания в него в результате возникновения опрокидывающего момента, когда центр масс C2 оказывается правее опорной боковой кромки. При скорости планки 3 транспортера, равной 5 м/с, длина отверстия, гарантирующая прохождение сепарируемого зерна, должна быть порядка 0,122 м. Значит, практическая реализация технологического процесса возможна в рамках существующей конструкции наклонной камеры [10]. Что касается разрушения чешуйчатого окружения зерновок в колосе, то в качестве рабочей гипотезы принят способ знакопеременного перегибания колоса на угол, гарантирующий превышение предельно допустимой деформации чешуек, но недостаточный для переламывания соломины. В противном случае может произойти чрезмерное измельчение соломы и перегрузка системы очистки. Конструкционно реализовать указанный алгоритм воздействия на колос предполагается за счет рабочих органов, аналогичных рекаттерам, широко используемым в кормоуборочных комбайнах. Заключение Импортозамещение в отечественном машиностроении не должно базироваться исключительно на копировании зарубежного опыта, поскольку догоняющий способ развития лишает нашу страну перспективы выхода на лидирующие позиции на рынке. В связи с этим дальнейшая модернизация зерноуборочных комбайнов должна осуществляться путем совершенствования алгоритма взаимодействия рабочих органов с убираемыми растениями и их элементами. Перспективные направления модернизации выявлены, теоретически обоснованы и проверены экспериментально. При наличии финансирования они могут быть реализованы применительно к комбайну любой марки, производимому отечественными предприятиями. В результате энергоемкость уборки, в настоящее время значительно превышающая соответствующие зарубежные показатели, может быть не только существенно приближена к ним, но и переведена на более низкий уровень, благодаря чему повысится экономическая эффективность сельского хозяйства.

About the authors

V. N Ozherel'ev

Bryansk State Technical University

Email: vicoz@bk.ru
DSc in Agriculture Bryansk, Russia

V. V Nikitin

Bryansk State Agrarian University

Email: viktor.nike@yandex.ru
PhD in Engineering Kokino, Bryansk region, Russia

References

Supplementary files