Threshing and separating device

Full Text

Введение Пропускная способность существующих зерноуборочных комбайнов ограничивается производительностью молотильно-сепарирующего устройства, а также эффективностью работы воздушно-решетной очистки и соломотряса. Так по данным машинно-испытательных станций до 20% всего рабочего времени зерноуборочные комбайны простаивают по технологическим причинам и поломках рабочих органов [1]. Снижение потерь зерна при уборочных работах играет важнейшую роль в решении продовольственной программы страны. Основным уборочным агрегатом (70 % парка) является однобарабанный зерноуборочный комбайн. 30 % приходится на машины других типов для работы в экстремальных положительных или отрицательных условиях. При уборке хлебов наибольшую долю составляют потери за молотилкой комбайна. В соответствии с агротребованиями, эти потери при оптимальных условиях не должны превышать 1,5 %. Однако, реально они значительно выше и достигают 12 % и более, что эквивалентно миллионам тонн утраченного продукта. Главным агрегатом молотилки является молотильный аппарат, формирующий условия работы конечных сепараторов - соломотряса и очистки. Именно от успешной работы молотильного аппарата зависит нормальное функционирование последних и комбайна в целом. За время существования создано и испытано большое число типов молотильных аппаратов. Однако в конечном итоге наибольшее распространение получил агрегат с бильным барабаном и прутково-планчатым подбарабаньем, который принято называть классическим. Этому молотильному аппарату более двухсот лет, но и современная конструкция мало чем отличается от своего раннего предшественника. Сегодня актуальное требование снижения потерь вступило в противоречие с возможностями основного рабочего органа зернокомбайна. Попытки решить проблему за счёт увеличения габаритов исчерпали себя. Нужны другие подходы к решению проблемы. Цель исследований - совершенствование технологии и конструкции молотильно-сепарирующего устройства, снижения потерь и сокращения срока уборки. Для решения проблемы и поставленной цели решались следующие задачи исследований. 1. На основании анализа технических средств предложить модернизированную схему молотильно-сепарирующего устройства для самоходных зерноуборочных комбайнов (ЗУК). 2. Изготовить промышленный образец и провести испытания. Краткий анализ технологий и технических средств Для реализации первой задачи исследований осуществим краткий анализ научной литературы. Предлагаемое техническое средство относится к области комбайностроения, а именно, к молотильно-сепарирующим устройствам, в частности к молотильным односекционным декам (далее «деки»). Наибольшее распространение на практике получили самоходные ЗУК однобарабанного типа с односекционными молотильными деками (подбарабаньем). Согласно исследованиям [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8] основным преимуществом ЗУК этого типа является то, что по соотношению цена-польза они являются самыми эффективными и конструктивно самыми простыми. Все известные односекционные молотильно-сепарирующие деки конструктивно выглядят следующим образом: «Гнезда для их установки в комбайне закреплены на боковых щеках, которые в свою очередь жестко связаны с поперечными планками, установленными между собой с равномерным интервалом по всей длине деки (см. [8, C.49-53]; [5, С.47-53])». Поперечные планки внутренней стороной расположены на цилиндрической поверхности с определенным углом охвата барабана. Угол охвата барабана односекционной декой находится в пределах от 110 до 140 градусов, количество поперечных планок из известных на практике дек колеблется от 13 до 21 шт. В верхней части поперечных планок с равномерным шагом по всей ширине деки просверлены отверстия, в которые вставлены по всей длине деки от первой до последней планки в один ярус прутки, образующие сепарирующую решетку. Для увеличения жесткости поперечных планок и всей деки в целом ниже поверхности яруса прутков поперечные планки связаны между собой ребрами прямоугольной формы изогнутыми по концентрической окружности большего радиуса, чем радиус рабочей поверхности сепарирующей решетки. Все деки устанавливаются на комбайне относительно внешнего диаметра бичей барабана не по концентрической окружности, а со смещением, при этом на входе задается регулируемый зазор в 5-8 раз больший, чем на выходе из деки, например, см. [8] - на входе 18 мм, а на выходе 2 мм. Это условие является обязательным для осуществления процесса молотьбы, обеспечивающего достижения требований, описанных на С. 49 [8]. Принципиальными недостатками однобарабанных односекционных дек являются достаточно высокие уровни недомолота, потери свободным зерном в грубом ворохе через соломотряс и особенно дробление по сравнению с двухбарабанными и роторными моделями комбайнов. Как показывают исследования [9] во время обмолота в зазоре между бичами барабана и планками молотильной деки с момента входа стеблевой массы и до ее выхода на каждом сегменте деки происходят разные, свойственные каждой зоне процессы, вызванные непрерывным структурно массовым изменением стеблевой массы. Так, например, в первой фазе в начале деки определяющим является удар, при котором вымолачивается более 70% зерна и происходит начальное деформирование и соответственно изменение структуры обмолачиваемого материала. В середине деки существенным фактором является протирание и сепарация зерна через деку. В последней зоне в конце деки с уменьшением зазора до минимума происходит ужесточение режима воздействия на стеблевую массу обеспечивающее домолот и сепарацию оставшегося зерна. Конструктивное исполнение деки с одноярусной равномерно расставленной по всей площади деки сепарирующей решеткой не в состоянии адекватно реагировать на зональное изменение параметров технологического процесса, что ухудшает качественные процессы обмолота и снижает производительность комбайна. Например, как показывают исследования [9], начальная фаза обмолота является наиболее существенной, обеспечивающей основной вымолот зерна из колоса, в этой же части наблюдается основной сход зерна через деку. Выбитое из колоса зерно, разогнанное ударом бича, пролетает через сепарирующую решетку двумя основными путями: одна часть, соударяясь напрямую или по касательной о прутки решетки, освобождается от пленок и колосковых чешуек и поэтому ввиду высокого удельного веса легко проскальзывает через вибрируемый зерновой ворох, ложится на дно стрясной доски и далее кратчайшим путем через решето попадает в зерновой шнек. Другая часть зерна пролетает между прутками одноярусной сепарирующей решетки, недостаточно очистившись от пленки и колосовых чешуек, поэтому эта часть зависает в зерновом ворохе на стрясной доске и далее на решетах, что затрудняет его сход и ограничивает пропускную способность комбайна на очистке. Далее, проходя по деке, слой стеблевой массы непрерывно сжимается и растет разница в скоростях движения между верхним и нижним слоем стеблевой массы, свободное зерно, захваченное бичами барабана и увлекаемое верхним слоем, начинает частично двигаться по касательной к барабану и не в состоянии пройти вниз через уплотняемый слой стеблевой массы из-за относительно плотной для этой зоны сепарирующей решетки. Кроме того, на среднем участке деки происходит интенсивное крошение стеблевой массы, что приводит к избыточному насыщению зернового вороха незерновой частью (половой, сбоиной, обрушенными стеблями и т.п.). На последних интервалах деки количество сбоины резко возрастает, существующая сепарирующая решетка с единым шагом прутков по всей длине деки начинает обладать по отношению к вороху избыточной скважностью, при которой кроме полезного схода чистого зерна вниз на стрясную доску попадает очень много сбоины с увеличенным количеством обломков стеблей. Эти обломки по массе близки к массе зерна, что ухудшает его выделение из вороха на ветрорешетной очистке. Техническое решение модернизации Техническим решением модернизации будет создание конструкции деки максимально адаптированной к зональным изменениям технологического процесса в подбарабанье, обеспечивающей повышение производительности ЗУК с одновременным повышением качества обмолота. Указанная решение раскрывается на рис. 1, где показана схема деки максимально адаптированной к зональным изменениям. Представленное техническое решение защищено патентом № 2714247 [10]. На представленных рисунках использованы следующие обозначения: t - шаг прутков решетки верхнего яруса; R - радиус верхнего яруса прутков; R1 - радиус нижнего яруса прутков; S - глубина залегания прутков верхнего яруса; h - шаг между ярусами; С - интервал между поперечными планками деки; d - диаметр прутков решетки; 1 - установочное гнездо деки; 2 - щека деки; 3 - поперечная планка деки; 4 - пруток решетки верхнего яруса; 5 - пруток решетки нижнего яруса; 6 - ребро деки. Вся поверхность деки с равномерно расставленными поперечными планками с интервалом «с» функционально разбита на три зоны: Зона 1 - зона вымолота и сепарации; Зона 2 - зона сепарации и обмолота; Зона 3 - зона домолота и сепарации. Протяженность каждой зоны определяется видом культуры, состоянием культуры и зональными особенностями. а Рис. 1. Схема деки максимально адаптированной к зональным изменениям: а - на общем виде сбоку показано вариантное исполнение деки с относительно возможным расположением зон; б - в сечении А-А показано вариантное расположение прутков двухярусной сепарирующей решетки в первой зоне - «вымолота и сепарации»; в - в сечении Б-Б показано вариантное расположение прутков сепарирующей решетки во второй зоне - «сепарации и обмолота»; г - в сечении В-В показано вариантное расположение прутков решетки в третьей зоне - «домолота и сепарации» Fig. 1. Deck layout maximally adapted to zonal changes: а - a general side view shows a variant of the deck with a relatively possible arrangement of zones; b - section A-A shows a variant arrangement of the rods of a two-tier separating grid in the first zone - “threshing and separation”; c - section B-B shows a variant arrangement of the rods of the separating grid in the second zone - “separation and threshing”; d- section В-В shows a variant arrangement of the grating bars in the third zone - “final threshing and separation” Первая зона вымолота и сепарации протяженностью не менее трех интервалов «с» между поперечными планками на глубине залегания «S» на поперечной планке содержит верхний основной ярус прутков диаметром d, вставленных в отверстия поперечных планок по радиусу R с шагом между прутками «t» по всей ширине деки. Ниже верхнего основного яруса прутков на больших, чем у основного яруса радиусах R1, проходящих по середине шага t прутков верхнего яруса 4 с вариантными интервалами h от 0,75t до l,25t между осями отверстий верхнего яруса и между собой, расположены три ряда отверстий по всей длине поперечных планок зоны для вариантной установки прутков 5 второго яруса. Такая конфигурация двухъярусной сепарирующей решетки обеспечивает получение на выходе из деки максимального количества очищенного и отшлифованного зерна, не требующего усиленной сепарации на ветрорешетной очистке. Во второй зоне сепарации и обмолота протяженностью до 12 интервалов преобладающим фактором является процесс сепарации при активном основополагающем воздействии бичей барабана. Этот процесс гарантируется тем, что шаг прутков основного яруса решетки в вариантном исполнении на том же радиусе R составляет не менее 1,5t прутков основного яруса первой зоны, например, 2t как на рисунке 1 (в). За счет увеличенной скважности решетки снижается плотность стеблевой массы, в результате чего облегчается сепарация свободного зерна в этой зоне. Одним из свойственных недостатков, присущих барабанным молотильно-сепарирующим устройствам, является то, что плотность поступающей массы неравномерна по ширине деки. Практика показывает, что интенсивному износу бичи барабана и планки деки подвергаются посередине, а по краям, в среднем от 5 до 10 см, на бичах барабана и планках деки значимого износа практически не наблюдается. С позиции требований к качеству обмолота в этих участках по краям при увеличенном шаге прутков решетки второй зоны есть опасность проваливания недомолоченных колосков через решетку. Во избежание этого во второй зоне по краям от щек, не более чем по десять прутков решетки на протяжении всей зоны как вариант являются продолжением прутков первой зоны с тем же шагом t и в том же ярусе радиуса R, например, по 5 прутков как на рисунке 1 (в). В третьей зоне домолота и сепарации протяженностью не менее трех интервалов С между поперечными планками шаг в ярусе между прутками решетки соосного с ярусами первой и второй зоны составляет от 0,5t до 1,5 t шага первой зоны. Это позволит сдержать обвальный сброс сбоины на ветрорешетную очистку. Принципиально важным для любой деки выдержать заданные молотильные зазоры, задаваемые поперечными планками. На практике обычно все поперечные планки вырезаны из листовой стали толщиной 6-8 мм, такие планки достаточно упруги и из-за малой ширины быстро протираются особенно по центру. Изготовление всех планок из толстого материала нецелесообразно прежде всего из-за резкого снижения скважности деки и увеличения ее массы. Для гарантированного обеспечения заданных молотильных зазоров достаточно того, чтобы как минимум три поперечные планки: первая, одна из средних и задняя были бы усиленными, желательно термообработанными или наплавленными твердосплавным материалом. Вариантным решением может быть наличие двухъярусной решетки во второй зоне протяженностью до половины второй зоны, что обеспечило бы дополнительную доочистку зерна, не влияя на плотность стеблевой массы. Все деки являются съемными, так как для различных культур - от мелкосемянных до крупносемянных - нужны свои, адаптированные к ним деки, масса таких дек достигает 180 кг и более и заменить деку довольно не простая и достаточно тяжелая операция. В свете предложенного технического решения целесообразно зонированную деку сделать со съемными или легкосъемными каскадами, при этом каркас деки должен быть жестким, щеки которой связаны упомянутыми ранее усиленным тремя, четырьмя поперечными планками. Между планками могут вставляться каскады с вариантным набором по шагу, диаметру, ярусности прутков, адаптированных под конкретные условия уборки. Такое решение предопределяет вариантное, технологически легко осуществимое исполнение решеток в каскадах не только по диаметру, шагу и ярусности решетки, но и по углу входа и выхода из каждой зоны, по глубине залегания прутков и т.п. Предварительные хозяйственные испытания Испытания в сезоне уборки 2019 года убедительно показали, что даже на опытном экземпляре деки производительность комбайна по сравнению с серийной декой увеличилась более чем на 25% при лучшем качестве зерна в бункере. Так при подготовке ЗУК к сезонной работе 2020 года, было оборудовано 15 машин модернизированной декой и прошли наблюдения в рядовой эксплуатации не только на комбайне Дон, но и на комбайне Акрос. На все образцы получены положительные отзывы (культуры: ячмень, пшеница, соя, подсолнечник, кукуруза). Контроль производился оперативно в процессе работы и через 3-4 недели по контролю всходов. Производительность ЗУК Дон-1500 по зерну составляет 11,5 т/час. После переоборудования серийной деки на модернизированную производительность комбайна увеличилась до 14,7 т/час. Отдельными опытами были получены результаты производительности до 18 т/час, при допустимом уровне потерь, но с повышенным дроблением. Анализ причин позволил внести в деку соответствующие конструктивные изменения. В Краснодарском крае зарегистрировано около 4000 барабанных комбайнов семейства Ростсельмаш. Если каждую эту машину оборудовать модернизированным подбарабаньем, то мы получим: 1. сокращение срока уборки как минимум на 15-20% 2. повышение качественных характеристик зерна (дробление, микроповреждения, сорность) 3. увеличение валового сбора зерна за счет уменьшения естественных биологических потерь до 4% 4. снижение расхода топлива до 3% 5. или снижение численности парка барабанных ЗУК Ростсельмаш на 800шт, при тех же сроках уборки. Данная дека выпускается путем модернизации серийной. Идет подготовка технологической оснастки для серийного производства. Планируется осуществить выпуск серийной модернизированной деки в первом квартале 2021 года. Финансирование разработки происходит за счет предприятия «ИП Соболев М.О.». Стоимость ремонта с модернизацией серийной деки - от 28 000 до 33 000 руб. Прогнозируемая стоимость новой - 43 000 руб. Заключение Поставленные задачи выполнены: 1) проведен краткий анализ технологий и технических средств; 2) на основании анализа для решения проблемы разработана защищенная патентом РФ модернизированная конструкция деки, обеспечивающая сокращение срока уборки как минимум на 15-20%; 3) предварительные хозяйственные испытания показали, что производительность комбайна по сравнению с серийной декой увеличилась более чем на 25%; 4) имеется снижение естественных биологических потерь до 4% и снижение расхода топлива до 3%; 5) осуществляется подготовка технологической оснастки для серийного производства, а также планируется начать выпуск серийной модернизированной деки в первом квартале 2021 года.

About the authors

M. O Sobolev

Kuban State Agrarian University

Krasnodar, Russia

B. F Tarasenko

Kuban State Agrarian University

Email: b.tarasenko@inbox.ru
Dsc in Engineering Krasnodar, Russia

L. F Mechkalo

Kuban State Agrarian University

Krasnodar, Russia

S. A Voynash

Novosibirsk State Agricultural University

Email: sergey_voi@mail.ru
Novosibirsk, Russia

V. A Sokolova

Saint-Petersburg State Forestry University

Email: sokolova_vika@inbox.ru
PhD in Engineering Saint-Petersburg, Russia

References

Supplementary files