To determine the optimal tilt angle of the lattice holes of the bottom of the inclined chamber

Full Text

Введение Зерновое хозяйство является для России стратегически важной отраслью. По валовому производству этой важнейшей продовольственной группы страна занимает пятое место в мире (после Китая, США, Индии и Бразилии). При этом стоимость экспорта зерна превысила доходы от экспорта вооружений. Однако жесткая конкуренция на мировом рыке неизбежно отражается на рентабельности производства зерна. В ряде случаев оно становится малодоходным и даже убыточным. Решить проблему можно, в том числе, за счет уменьшения затрат на уборку урожая. Для этого, в первую очередь, следует оптимизировать соотношение «цена - качество» зерноуборочного комбайна. В настоящее время в России большую часть рынка зерноуборочных комбайнов поделили между собой «Ростсельмаш», совместное предприятие «Гомсельмаш» и «Брянсксельмаш», а также сборочное предприятие фирмы Claas в Краснодарском крае. Доля других мировых производителей комбайнов на нашем рынке существенно меньше. Несмотря на рост в России объема сборки белорусских комбайнов их рыночная доля за три квартала 2016 года уменьшилась с 20,4 до 17 %. На российском рынке белорусскую продукцию потеснил «Ростсельмаш» (рост доли с 69,6 до 72,1 %) и «Claas», который запланировал увеличить объемы продаж в 3 раза. Этому способствует подписание инвестиционного соглашения с Правительством РФ, по которому продукция немецкой фирмы Claas считается российской и ее приобретение субсидируется из федерального бюджета. Победить на рынке сложного сельскохозяйственного оборудования можно только благодаря инновациям. В результате, техника должна приобретать потребительские свойства, отсутствующие у конкурентов. В частности, это касается энергоемкости технологического процесса. В связи с этим одним из наиболее перспективных способов уборки зерновых культур, обеспечивающим минимальные затраты энергии, является очесывание растений на корню. При очесе поступление хлебной массы в комбайн уменьшается в 1,5-2 раза, что приводит к экономии до 70 % энергии, которая расходуется на деформацию соломы в молотилке и на ее протаскивание через зазоры в молотильной камере. В следствие этого производительность комбайна повышается в 1,7-2 раза, расход топлива снижается на 20-25 %, а себестоимость зерна уменьшается на 25-30 % [1, 2]. Широкое внедрение указанной технологии сдерживается тем, что ее очевидные преимущества не могут быть в полной мере реализованы без изменения технологического процесса комбайна с целью его адаптации к работе с ворохом, содержащим до 80 % свободного зерна [3]. Поступление последнего в молотильную камеру затрудняет процесс обмолота имеющейся в ворохе колосовой части урожая и снижает, таким образом, пропускную способность молотилки. Кроме того, наблюдается чрезмерное дробление свободного зерна рабочими органами молотилки (порядка 14 %) и вынос его значительной части в соломотряс, что способствует росту потерь урожая [4]. Таким образом, актуальной научной задачей является изыскание возможности выделения из очесанного вороха свободного зерна и направления его на очистку, минуя молотильный аппарат. Цель исследования В результате анализа литературных источников установлено, что решить указанную проблему позволяет предварительная сепарация очесанного вороха непосредственно в наклонной камере зерноуборочного комбайна [4, 5]. При этом, однако, оказался нерешенным ряд задач, связанных с конструкцией сепарирующей решетчатой поверхности (днища наклонной камеры). В частности, не установлено влияние пространственной ориентации и формы отверстий решетчатого днища наклонной камеры на интенсивность сепарации свободного зерна. В связи с этим целью исследования является экспериментальная оценка теоретических гипотез, наиболее адекватно описывающих процесс истечения зерна сквозь продолговатые отверстия решетчатого днища наклонной камеры. Это позволяет осуществить оптимизацию важнейших параметров указанных сепарирующих отверстий. Научная гипотеза исследований Как правило, принято считать, что в качестве аналога истечению зерна из отверстия целесообразно использовать процесс, характерный для жидкости [6]. Однако результаты проведенных нами экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что при перемещении очесанного вороха по наклонной поверхности решетчатого днища 1 скребком 2 транспортера 3 указанная теоретическая гипотеза не позволяет получить приемлемый результат, поскольку слишком велики различия между экспериментальными и теоретическими значениями объема зерна, проходящего за единицу времени через соответствующее отверстие 4 (рис. 1). Рис. 1. Сепарация зерна через решетчатое днище наклонной камеры Альтернативная гипотеза предполагала, что интенсификации процесса сепарации зерен должен способствовать наклон кромки продолговатого отверстия на угол α по отношению к направлению перемещения 5 скребка 1. Вследствие этого зерно 6, центр тяжести C1 которого изначально располагается за пределами соответствующего отверстия, при перемещении вперед (поз. 7) должно терять устойчивость и опрокидываться вниз через его боковую кромку [7]. Для зерен 8, изначально оказавшихся над соответствующими отверстиями, была принята гипотеза их падения как свободных тел, брошенных под углом к горизонту. То есть были рассмотрены два варианта прохождения зерна сквозь отверстие, для которых были получены дифференциальные уравнения движения, в результате решения которых определена минимальная длина отверстия, обеспечивающая проход через него свободного зерна [8, 9]. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что принятые изначально теоретические гипотезы адекватно отражают характер процесса только в случае перемещения одиночных зерен. С учетом взаимодействия компонентов вороха и многослойности его объема, перемещаемого скребком 1, оптимальная длина отверстия, определенная экспериментально, оказалась в два раза больше, чем теоретически предсказанный минимум. В связи с этим была сформулирована еще одна гипотеза, которая позволяет наиболее убедительно объяснить результаты эксперимента. Она предполагает, что происходит истечение в отверстие слоев зерна по плоскостям, наклон которых к горизонту близок к углу естественного откоса вороха. При этом каждый сползающий вниз слой зерна должен двигаться с ускорением. То есть путь l, преодолеваемый соответствующим слоем зерна, может быть определен как , (1), где φ - угол естественного откоса вороха. Рассчитанные по формуле (1) результаты отличались от экспериментальных всего на 5 %, что свидетельствует о высокой степени адекватности последней гипотезы. Таким образом, возникла необходимость оценить приоритетность двух гипотез: является ли ускоренное движение сползающих по наклонным плоскостям слоев вороха более значимым для интенсификации сепарации процессом, чем опрокидывание зерен через боковые кромки отверстий в результате их наклона на угол α? Для получения однозначного ответа на указанный вопрос был спланирован и осуществлен соответствующий эксперимент. Методика исследований Для исследования процесса предварительной сепарации свободного зерна из очесанного зернового вороха была разработана экспериментальная установка, имитирующая работу скребкового плавающего транспортера наклонной камеры зерноуборочного комбайна (рис. 2). Она состоит из корпуса 1, скребкового транспортера 2, решетчатого днища 3 и емкости 4 для сбора свободного зерна 5. Привод установки осуществлялся от электродвигателя 6 посредством цепной передачей 7. Регулировка скорости транспортера выполнялась при помощи частотного преобразователя 8 «Веспер» Е2-8300. Исследования производились на пшенице сорта «Московская 56». Влажность зерна составляла порядка 12 % (определялась весовым методом в межкафедральной лаборатории Брянского ГАУ). Скорость движения транспортера - 3 м/с - и угол его наклона к горизонту - 45° - соответствовали аналогичным параметрам работы для большинства современных зерноуборочных комбайнов [10, 11]. Угол наклона α отверстия решетчатого днища имел семь уровней варьирования в пределах 0-90°. Подача очесанного зернового вороха составляла порядка 10 кг/с при содержании в нем 80 % свободного зерна. Длина съемного решетчатого днища равнялась 0,95 м, а ее прямоугольные отверстия имели размеры 160×8 мм. В качестве выходного параметра было принято количество свободного зерна, прошедшего сквозь отверстия решетчатого днища экспериментальной установки. Для исключения влияния на выходной параметр суммарная площадь «живого сечения» отверстий решетчатого днища во всех сериях эксперимента была принята одинаковой. Каждый вариант опыта проведен с десятикратной повторностью. Таким образом, всего было учтено и обработано 70 опытов. Результаты исследований и их обсуждение Данные эксперимента были обработаны при помощи программы Excel. По ним построен график (рис. 3), характеризующий зависимость количества свободного зерна, прошедшего сквозь решетчатое днище от угла наклона отверстий. Наиболее адекватной моделью (с коэффициентом детерминации R2 = 0,994) для него является полиномиальная кривая второго порядка. Уравнение регрессии имеет вид: , (2) где С - количество свободного зерна прошедшего сквозь отверстия решетчатого днища, %; х - угол наклона отверстий, град. Полученная зависимость свидетельствует о том, что по мере увеличения угла наклона количество свободного зерна, прошедшего сквозь отверстия решетчатого днища имеет тенденцию к уменьшению, а количество сошедшего с него зерна, наоборот, - к возрастанию. При этом максимальная сепарация свободного зерна 68,7 % соответствует углу наклона отверстий, равному 0°. Разница между максимальным и минимальным значением количества свободного зерна, прошедшего сквозь отверстия решетчатого днища, превышает 3 раза. Для исследования характера процесса сепарации свободного зерна из очесанного зернового вороха по длине решетчатого днища производилась регистрация его количества на четырех контрольных участках (рис. 2). При этом за стопроцентное количество свободного зерна принято начало проведения эксперимента на момент его поступления в корпус установки. Расчет количества свободного зерна, поступившего на второй контрольный участок (81 %), определен разницей между предыдущим значением (100 %) и количеством свободного зерна, прошедшего сквозь отверстия на первом контрольном участке (19 %) (рис. 4). Аналогичным образом были получены и остальные значения (65,7; 47,64 и 31,3 %, соответственно). Оценка убывания свободного зерна из очесанного зернового вороха по длине поверхности сепарирования (рис. 4) свидетельствует о наличии резерва для повышения степени сепарации. С высокой степенью вероятности (R2 = 0,9823) линии тренда прямолинейна и имеет вид: , (3) где Y - текущий остаток зерна в ворохе, в процентах от ее исходной массы, имевшейся в начале процесса сепарации; L - длина сепарирующей поверхности, м. Экстраполяция графика функции показывает, что длина решетчатого днища, обеспечивающая полное выделение свободного зерна из очесанного зернового вороха, должна быть не менее 1,18 м. По аналогичной методике были получены и остальные значения длины поверхности сепарирования, достаточной для прохождения всего зернового вороха, при различных углах наклона отверстий решетчатого днища (15, 30, 45, 60, 75 и 90 град.). По ним получена зависимость длины сепарирующей поверхности экспериментальной установки от угла наклона отверстий (рис. 5). Уравнение регрессии (R2 = 0,962) имеет вид: , (4) где L - длина сепарирующей поверхности, м; х - угол наклона отверстий, град. Представленный график (рис. 5) свидетельствует о том, что по мере увеличения угла наклона боковых кромок отверстий минимально необходимая длина решетчатого днища возрастает. Таким образом, оптимальным углом наклона отверстий, обеспечивающим минимальную длину решетчатого днища 1,18 м, является 0°. В таком положении полностью исключается вероятность поступления свободного зерна в молотильную камеру зерноуборочного комбайна и его дробление рабочими органами молотилки. Такое техническое решение может быть реализовано, например, в наклонной камере зерноуборочного комбайна КЗС-1218 «Полесье GS-12», имеющей длину порядка 1,3 м. Заключение Полученный результат свидетельствует о том, что гипотеза об ускоренном движении слоев зернового вороха (скольжении по плоскостям, угол наклона которых близок к углу естественного откоса зерна) сквозь продолговатые отверстия решетчатого днища наклонной камеры адекватно отражает характер процесса. Если бы действовала гипотеза об истечении зерна с постоянной (или уменьшающейся) скоростью, в связи с падением напора (по аналогии с жидкостью), то существенной разницы между интенсивностью сепарации при углах 0 и 90° быть не должно, поскольку суммарное живое сечение отверстий остается неизменным. Согласно принятой гипотезе, разница объясняется следующим образом. Длину отверстия в 160 мм скребок преодолевает за время t1 = 0,053 с. За этот промежуток времени все слои зерна должны переместиться по соответствующим наклонным плоскостям вниз на величину l1 = 8,49 мм (1). Если же отверстия будут сориентированы под углом 90° к исходному варианту, то за тот же период времени (t1) скребок пересекает десять отверстий шириной по 8 мм и десять перемычек между ними. Если принять, что при попадании сползающего слоя зерна на перемычку между отверстиями его скорость практически полностью гасится, то на очередном отверстии процесс ускорения наклонного движения начинается с нуля. Таким образом, в альтернативном варианте за время t1 слои зерна (при условии их полной остановки на каждой из перемычек) успевают переместиться вниз только на 0,2 мм. То есть теоретически сепарация, по сути, невозможна. В эксперименте (рис. 3), тем не менее, сквозь отверстия проходит 30…35 % зерна от максимума, достигнутого при угле α = 0°. Это можно объяснить тем, что отдельные зерна нижнего слоя оказываются сориентированы так, что происходит их зацепление за края отверстия и остановка с проходом над ними нижней кромки скребка. То есть, в связи с наличием зазоров между решетчатым днищем и скребком, процесс сепарации (частично) принимает качественно иной характер. Тем не менее, можно сделать однозначный вывод о том, что для обеспечения наиболее интенсивной сепарации очесанного вороха на решетчатом днище наклонной камеры боковые кромки его отверстий должны быть сориентированы по направлению перемещения скребка. Рис. 2. Схема экспериментальной установки Рис. 3. Влияние угла наклона отверстий на количество свободного зерна, прошедшего сквозь решетчатое днище Рис. 4. Убывание свободного зерна из очесанного зернового вороха в зависимости от длины поверхности сепарирования Рис. 5. Зависимость длины сепарирующей поверхности экспериментальной установки от угла наклона отверстий решетчатого днища

About the authors

V. N Ozhereliev

Bryansk State Agrarian University

Email: vicoz@bk.ru
DSc in Agriculture

V. V Nikitin

Bryansk State Agrarian University

Email: vicoz@bk.ru
PhD

References

Supplementary files