Совершенствование молотилок для обмолота и сепарации зернобобовых культур

Полный текст

Обоснование

Зернобобовые культуры обладают значительным потенциалом и играют важную роль в экономике страны. При условии точного соблюдения агротехнических требований и правил уборки, они способны приносить существенную прибыль, обеспечивать население необходимыми продуктами питания, положительно влиять на состояние почвы, обогащая ее, а также улучшать качество кормов для сельскохозяйственных животных. Однако, уборка урожая зачастую все еще осуществляется традиционным двухфазным методом, включающим обмолот и очистку зерна с помощью комбайнов. Такой подход нередко приводит к значительным потерям урожая, как прямым, так и косвенным. Дробление и травмирование семян при уборке превышает допустимые значения и в целом ограничивает, и затрудняет выполнение селекционно-семеноводческих работ по созданию районированных сортов сельскохозяйственных культур, в том числе зернобобовых культур. Теоретическому и экспериментальному исследованию технологического процесса, выполняемого молотильно-сепарирующим устройством (МСУ), посвящены работы современных учёных: Сичкаря В.И., Алдошина Н.В., Золотова А.А., Зотикоав В.И., Полухина А.А., Ушакова Д.А., Оробинскго В.И., Присяжной И.М. и др., которые в основном ведутся в направлении разработки и совершенствования классической схемы с бильным и штифтовым молотильным барабаном, совершенствовании двухбарабанной схемы МСУ при уборке сельскохозяйственных культур [1, 2, 3, 4, 5, 6].

Цель работы

Определение оптимальных конструкционных решений и технологических параметров, обеспечивающих минимальные потери зерна и максимальную производительность обмолота зернобобовых культур.

Материалы и методы

Опираясь на обширный массив научных данных и прогрессивный опыт в сфере разработки и применения техники и технологий в растениеводстве, в частности, в семеноводстве, предпринята попытка изучения и выявления существующих проблем, а также определения стратегий для повышения качества продукции по сравнению с текущими стандартами.

Ключевым исследовательским инструментом выступает анализ и систематизация имеющихся достижений в области совершенствования машинных технологий в семеноводстве. В рамках данной работы рассматриваются современные методы выращивания и уборки сельскохозяйственных культур, их соответствие научно обоснованным системам земледелия для конкретных агроэкологических условий, а также новейшим разработкам в области механизации производства и семеноводства. Особое внимание уделяется энергетической эффективности применяемых машин, их соответствию экономическим критериям и влиянию на качество выполняемых работ и получаемой продукции в сравнении с зарубежными аналогами.

Уборка урожая зернобобовых культур, в частности, мягкостебельного гороха и жёсткостебельной сои, зачастую осуществляется традиционным способом — с использованием комбайнов для обмолота и сепарации зерна. Это приводит к значительным потерям урожая (до 12%) и удлинению сроков уборочной компании. Повреждение зерна молотильно-сепарирующими устройствами барабанного типа классического исполнения значительно превышает показатели роторных аналогов. [7].

Результаты исследований

В России действует около 250 опытных аграрных учреждений. Оснащённость их средствами для работ в селекции, сортоиспытании и первичном семеноводстве зерновых и зернобобовых культур составляет 40–45%, изношенность парка — 65–70%. Современное состояние механизации селекционно-семеноводческой деятельности, характеризующееся малой насыщенностью специальной техникой, что приводит к неоправданно большим затратам труда и средств, снижению точности и качества работ и в конечном счёте — к увеличению сроков выведения новых сортов до 8–11 лет. Общая потребность в оборудовании для производства семян в требуемых объёмах составляет по 400–1500 единиц техники каждого наименования, при этом ориентацию на зарубежную технику нельзя назвать эффективной, так как одна из важных характеристик техники отечественного выпуска — преимущество по соотношению цены и качества [8].

В настоящее время селекционными и семеноводческими предприятиями для уборки зернобобовых культур, в частности, мягкостебельного гороха и жёсткостебельной сои, с опытных селекционных делянок — прямым комбайнированием применяют селекционные комбайны, например, Wintersteiger Classic, Sampo SR 2010 и др., с барабанной системой обмолота и клавишной системой сепарации. Такие агрегаты, в первую очередь разрабатывались для уборки зерновых культур, а при уборке гороха и сои удобны в использовании только при благоприятных погодных условиях и низком содержании влаги в зёрнах.

Для обмолота гороха и сои стационарным способом используются серийные сноповые и пучковые молотилки, как выпускаемые отечественным производством, например: МТПУ-500 (ФГБНУ ФНАЦ «ВИМ»), МСС-1 (ООО ГСКБ «Зерноочистка»), МПС(С) – 1М (Омский Экспериментальный завод на ООО «Омсктехмаш») и др., так и снятые с производства: МС-400, МТПУ-300, МПСУ-500 и др., в зависимости от их технического состояния, загруженности проведения работ и наличия на конкретном предприятии. Также используют лабораторные и колосовые молотилки Haldrup LT-21, Haldrup LT-50, Wintersteiger Hege 16 и др., для проведения более тщательного лабораторного анализа растений.

Молотилка-тёрка пучковая МТПУ-500 — стационарная (ФГБНУ ФНАЦ «ВИМ»). Имеет барабаны двух типов: бичевой и тёрочный, диаметром 500 мм. Обмолот производится эластичными рабочими органами при сравнительно малых значениях повреждения семян.

Молотилка пучково-сноповая МСС-1 — стационарная (ООО ГСКБ «Зерноочистка»). Молотильный аппарат имеет молотильные барабаны с решётчатыми подбарабаньями. В данном аппарате преобладает перетирающее воздействие в сочетании с ударным. Имеется отдельно устанавливаемый пульт управления, обеспечивающий частотное регулирование оборотов барабанов, что упрощает настройку на оптимальный режим работы.

Молотилка пучково-сноповая МПС(С)-1М — стационарная (ООО «Омсктехмаш»). Молотильный аппарат имеет молотильные барабаны с эластичными бичами, сетчатые подбарабанья. Обмолот производится эластичными рабочими органами, что позволяет свести к минимуму механические повреждения семян.

Молотилка пучково-сноповая МПСУ-500 — стационарная (снята с производства). Молотильный аппарат имеет штифтовые барабаны с решётчатыми подбарабаньями. Обмолот производится эластичными рабочими органами, что позволяет свести к минимуму механические повреждения семян. В данном аппарате преобладает перетирающее воздействие в сочетании с ударным.

Молотилка-тёрка пучковая МТПУ-300 — стационарная (снята с производства). К молотилке прилагаются барабаны двух типов: бичевой четырехлопастной диаметром 350 мм и тёрочный трехлопастной, тип подбарабанья — сетчатое. Обмолот производится эластичными рабочими органами, что позволяет свести к минимуму механические повреждения семян.

Молотилка сноповая МС-400 — стационарно-передвижная (снята с производства). Имеет тип молотильного аппарата — ротационный, штифтовый с диаметром барабана по концам зубьев 400 мм. Подбарабанье изготовлено из стального листа толщиной 6 мм, поверхность подбарабанья образована по кривой, близкой к окружности барабана. На подбарабанье жёстко закреплены укороченные зубья клиновидного типа. В данном аппарате преобладает ударное воздействие в сочетании с перетирающим.

Анализ конструкций рассмотренных селекционных молотилок приведен в табл. 1.

Анализ машин, приведённый в табл. 1, целесообразно проводить при помощи эффективного метода системного анализа — метода расстояния к цели.

 

Таблица 1. Анализ селекционных молотилок зернобобовых культур

Table 1. Analysis of batch threshers for grain legumes

Схема молотилки, марка	Рабочий орган	Преимущества	Недостатки	Критерии оценки
				${Э}_{у}$, кВт·ч/т	${Э}_{у}^{норм}$	${М}_{у}^{норм}$	${К}_{у}^{норм}$
МС-400	Штифты	1. Надёжность. 2. Устойчивость работы. 3. Возможность подключения к ВОМ трактора.	1. Низкая производительность. 2. Травмированность семян.	47,06	1,82	3,26	1,25
МТПУ-300	Штифты обрезин. (эласт.)	1. Надёжность. 2. Устойчивость работы. 3. Простота работы и настройки.	1. Низкая производительность.	42,86	1,62	2,68	1,25
МТПУ-500 (ФГБНУ ФНАЦ «ВИМ»)	Штифты обрезин. (эласт.)	1. Надёжность. 2. Универсальность. (наличие 2-х сменных барабанов и 5 подбарабаний).	1. Низкая производительность. 2. Сложность работы и настройки	31,43	1,17	3,48	1
МПСУ-500	Штифты. (2 барабана и 2 подбар.)	1. Устойчивость работы. 2. Надёжность.	1. Сложность работы и настройки 2. Травмированность семян. 3. Ограниченная область применения.	25,88	1	1,02	2,50
МСС-1 (ООО ГСКБ «Зерноочистка»)	Штифты. (2 барабана и 2 подбар.)	1. Удобство настройки. 2. Устойчивость работы. 3. Надёжность.	1. Травмированность семян. 2. Низкая производительность.	32,35	1,25	1,02	2,50
МПС(С)-1М (ООО «Омсктехмаш»)	Эластич-ные бичи. (2 барабана и 2 подбар.)	1. Устойчивость работы. 2. Надёжность.	1. Ограниченная область применения. 2. Низкая производительность	25,88	1	1	2,50

 

Его суть заключается в обосновании идеала и оценке меры приближения к нему каждого из вариантов.

Идеальный вариант характеризует такую систему, для которой каждый из критериев достигает своего потенциально возможного наилучшего значения. Такие значения могут быть обоснованы теоретически или отвечать лучшей реально достигнутой величине.

Сравнительную оценку рассматриваемых типов молотилок выполняем по следующим показателям: удельной материалоёмкости, удельной энергоёмкости и коэффициенту универсальности применительно к обмолоту различных культур.

Удельные показатели материалоёмкости М_у находят по формуле [9]:

 $M_{у}=\frac{M}{Q},$кг·ч/т, (1)

где М — вес молотилки, кг; Q — производительность молотилки, т/ч.

Удельную энергоёмкость находят по формуле:

${Э}_{у}=\frac{N}{Q},$ кВт·ч/т, (2)

где N — паспортная мощность рассматриваемой молотилки, кВт.

Коэффициент универсальности обмолачиваемых культур находится по формуле:

${К}_{\text{у}}=1/п$, (3)

где п — количество культур, обмолачиваемых молотилкой.

Данные показатели сведем к одинаковым числовым значениям по правилам нормирования критериев, когда соответствующий критерий улучшается уменьшением: М_{у. норм.}, Э_у.норм., К_у.норм.

$u_{in}^{норм.}=\frac{u_i}{u_{i опт.}}\cdot u_{i опт.},$ (4)

где u_{i опт.} — критерий оптимального варианта.

Для каждого оцениваемого решения задаются параметры оценки, которые отображаются на радиальных осях координат (x, y, z). Ориентация шкал такова, что улучшение показателя направлено к центру (нулевой точке).

Соединив отметки на осях, соответствующие i-му решению, формируется многоугольник. Аналогично, строится многоугольник для идеального решения, представляющего собой наилучшие значения по всем критериям. Обобщенный показатель близости к идеалу μ_i рассчитывается как отношение площади многоугольника i-го решения к площади многоугольника идеального решения:

${\mu }_i=\frac{S_i}{S_o}\le \mathrm{1,}$ (5)

где S_i, S₀ — соответственно площади многоугольников i-го и оптимального вариантов, мм².

Графическое построение по методу расстояния к цели применительно к исследуемым молотилкам (см. табл. 1) представлена на рис. 1.

 

Рис. 1. Многокритериальная оценочная модель исследуемых молотилок серийного производства.

Fig. 1. Multi-criteria evaluation model of the studied in-series threshers (according to specific criteria of energy intensity: E, material intensity: M, and versatility coefficient: C_v).

 

В результате построения многокритериальной оценочной модели были рассчитаны площади многоугольников (табл. 2), что позволило определиться с выбором идеального устройства и прототипа оптимальной конструкции молотилки.

 

Таблица 2. Результаты расчёта показателя расстояния до цели

Table 2. Results of calculation of the distance to the target indicator

Тип и марка машины	Критерии оценки
	Расчётная площадь Si, мм2	Идеальная площадь Sо, мм2	Критерий расстояния к цели, μi
Молотилка-тёрка пучковая МТПУ-500	94,41	32,48	1,78
Молотилка сноповая МСС-1	74,80		2,30
Молотилка пучково-сноповая МПС(С)-1М	64,95		2,00
Молотилка-тёрка пучковая МТПУ-300	113,19		3,49
Молотилка пучково-сноповая МПСУ-500	65,71		2,02
Молотилка сноповая МС-400	132,97		4,09

 

Анализ полученных данных и аргументация в пользу сделанных заключений демонстрируют, что наиболее перспективным для рассмотрения устройством оказываются молотилка МПС(С)-1М, принцип действия которой основан на сочетании ударного воздействия рабочих органов и перетирающим с применением эластичных элементов, что позволяет свести к минимуму механические повреждения семян при обмолоте и сепарации, то есть повысить эффективность выделения зерна семенного целевого назначения.

Разработанная на кафедре «Технический сервис в АПК» ФГБОУ ВО Луганского ГАУ молотилка АРПМСУ с молотильно-сепарирующим устройством (МСУ), которое вписано в конструкцию серийной молотилки МС-400, исследовано в лабораторных условиях [10, 11]. Аксиально-роторное планетарное молотильно-сепарирующее устройство (АРПМСУ) имеет привод планетарного ротора через клиноременной вариатор, ограждённый защитным кожухом (рис. 2) от электродвигателя или посредством карданной передачи через ВОМ трактора класса 9,0 кН.

 

Рис. 2. Молотилка АРПМСУ: 1 — основание; 2 — молотильно-сепарирующее устройство; 3 — шнек-питатель; 4 — подающий транспортер; 5 — тахометр контроля оборотов ротора; 6 — площадка оператора; 7 — штурвал регулирования оборотов ротора; 8 — защитный кожух клиноременного вариатора; 9 — электродвигатель.

Fig. 2. The ARPTSD thresher: 1: frame; 2: threshing and separating device; 3: auger feeder; 4: feed conveyor; 5: rotor velocity control tachometer; 6: operator platform; 7: rotor velocity control steering wheel; 8: protective cover of the V-belt continuously variable transmission; 9: electric motor.

 

Устройство, в дальнейшем молотилка, относится к технологическим аппаратам для дифференцированного обмолота снопов зерновых, зернобобовых и других сельскохозяйственных культур.

Заключение

В данной работе проведено изучение и оценка эффективности молотильных устройств, применяемых в молотилках, разработанных специально для уборки в том числе и зернобобовых культур. Рассматриваются различные типы молотильных аппаратов, их конструктивные особенности и влияние на качество обмолота. Особое внимание уделяется анализу факторов, влияющих на травмирование зерна в процессе обмолота, а также способам снижения этих повреждений. Результаты исследования могут быть использованы для совершенствования конструкций молотилок, зернобобовых комбайнов и повышения эффективности уборки урожая.

Дополнительная информация

Вклад авторов. З.А. Годжаев — обзор литературы, анализ литературных источников, редактирование статьи; А.В. Колесников — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, подготовка и написание текста статьи. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Этическая экспертиза. Неприменимо.

Источники финансирования. Отсутствуют.

Раскрытие интересов. Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. При создании настоящей работы авторы не использовали ранее опубликованные сведения (текст, иллюстрации, данные)

Доступ к данным. Редакционная политика в отношении совместного использования данных к настоящей работе не применима, новые данные не собирали и не создавали.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали два внешних рецензента, член редакционной коллегии и научный редактор издания.

Additional information

Author contributions: Z.A. Godzhaev: literature review, analysis of literary sources, editing of the article; A.V. Kolesnikov: literature review, collection and analysis of literary sources, preparation and writing of the article. Thereby, all authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Ethics approval: Not applicable.

Funding sources: No funding.

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities or interests for the last three years related with for-profit or non-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: In creating this work, the author did not use previously published information (text, illustrations, data).

Data availability statement: Editor’s policy in terms of collective use of data is not applicable to this paper, any new data are neither collected nor created.

Generative AI: Generative AI technologies were not used for this article creation.

Provenance and peer-review: The paper was submitted to the journal in a proactive way and was reviewed according to the standard procedure. Two external reviewers, a member of the editorial board and the scientific editor of the journal took part in the review.

Об авторах

Захид Адыгезалович Годжаев

Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ

Email: fic51@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1665-3730
SPIN-код: 1892-8405

д-р техн. наук, профессор, член-корр. РАН, заместитель директора

Россия, Москва

Алексей Владимирович Колесников

Луганский государственный аграрный университет имени К.Е. Ворошилова

Автор, ответственный за переписку.
Email: ya.aleks88@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-2492-3307
SPIN-код: 7794-9925

старший преподаватель

Россия, Луганск

Список литературы

Дополнительные файлы