Optimization of duration of winter wheat harvesting by means of a multifunctional unit

Full Text

Введение Сегодня для сельского хозяйства остро стоит вопрос экономии энергии и снижения затрат. Производство конкурентоспособной с.-х. продукции немыслимо без современных ресурсосберегающих технологий, учитывающих новейшие мировые достижения в области науки и техники. Особенно актуальна задача ресурсосбережения и снижения затрат при уборке зерновых колосовых и зернобобовых культур, на которую приходится примерно половина от всех материальных и трудовых затрат на производство зерна. Проводить уборку требуется в сжатые календарные сроки, при этом не менее важно завершение послеуборочного комплекса работ для заложения основы будущего урожая. К сожалению, эта сложная и масштабная задача пока не решена, и даже не намечены успешные подходы к ее решению. В связи с этим предлагается новый подход к комплексному решению проблемы уборки урожая применительно к различным почвенно-климатическим и производственно-экономическим условиям. Он базируется на использовании многофункциональных агрегатов (МФА), совмещающих уборку зерна с выполнением основных работ послеуборочного комплекса за один проход [1]. Основные требования к уборке зерновых колосовых культур, в т.ч. и озимой пшеницы, включают снижение потерь зерна, затрат на уборку и комплексность выполнения работ. Одновременно с уборкой зерна должны выполняться сопутствующие работы: первичная обработка почвы, сев промежуточных культур, очистка зерна, заготовка соломы и др. Выполнение этих требований возможно только с применением МФА [1, 2]. В статье в качестве МФА рассматривается полноприводный зерноуборочный комбайн TORUM-750 с пресс-подборщиком для прессования соломы, который присоединяется к заднему ведущему управляемому мосту комбайна. Задача такого агрегата - за один проход по полю качественно убрать зерно прямым комбайнированием и одновременно запрессовать солому. Актуальность решения этой задачи очевидна, так как высокопроизводительный энергонасыщенный зерноуборочный комбайн TORUM-750 с мощностью двигателя 372,17 кВт (506 л.с.) трудно загрузить до оптимального коэффициента использования мощности двигателя. Рациональный режим его работы определяется пропускной способностью молотилки комбайна, урожайностью зерна, рабочей скоростью движения агрегата и шириной захвата жатки. Все названные параметры связаны известной зависимостью, в состав которой входит также коэффициент соломистости хлебной массы. Цель исследования Такие недостатки технологий уборки, как низкая производительность, потери зерна, его дробление (в 2-4 раза выше допустимого), нарушения сроков уборки, поточности и ритмичности процессов, комплексности выполнения уборочных и послеуборочных работ, экологических аспектов, требуют перехода на принципиально новые конструкторские и технологические решения. Нужна новая методология комплексной высокопроизводительной уборки зерновых культур с одновременным выполнением основных послеуборочных работ на базе системы гибких энерговлагосберегающих МФА. Эта сложная научно-техническая проблема должна решаться на основе многоуровневого системного подхода по критерию ресурсосбережения. Объект исследований - процессы и гибкие средства механизации комплексной уборки зерновых с совмещением технологических операций. Предмет исследований - закономерности процессов функционирования гибких многофункциональных уборочно-посевных и других агрегатов. Научная новизна заключается в концепции оптимальной системы гибких МФА, а также в математической модели оптимизации параметров и режимов работы машин уборочно-транспортного и заготовительного процессов с использованием функционала удельных совокупных затрат энергии и их зависимости от условий эксплуатации. Цель работы - обосновать оптимальную продолжительность уборки озимой пшеницы в условиях Южного региона России с применением МФА на базе энергонасыщенного полноприводного комбайна TORUM-750 с пресс-подборщиком соломы, а также параметры агрегата. Материалы и методы Один из важных факторов, определяющих величину потерь урожая, - продолжительность уборки, которая для большинства зерновых колосовых культур не должна превышать пять календарных дней [3]. Превышение этого срока ведет к резкому увеличению потерь зерна. Сделана попытка оптимизировать продолжительность уборки озимой пшеницы при использовании указанного МФА. Для моделирования взяты площадь зерновых 1000 га, интервал продолжительности уборки n = 2…20 дней (шаг 1), урожайность зерна U = 5…15 т/га (шаг 5), закупочная цена зерна Z = 10…20 тыс. руб/т (шаг 5). С учетом высокого уровня урожайности в расчетах принята рабочая скорость движения агрегата 5 км/ч. При более низкой скорости уменьшается производительность МФА, при более высокой ухудшаются условия работы оператора [4]. С целью сохранения оптимальной загрузки молотилки и мощности двигателя получена зависимость ширины захвата жатки от взаимосвязанных параметров, упомянутых выше. После преобразования с учетом параметров комбайна TORUM-750 имеем: , (1) где В - ширина захвата жатки, м; U - урожайность зерна, т/га (принято U = 10 т/га); 70,2 - эмпирический коэффициент для принятых условий. Выражение в круглых скобках в формуле (1) учитывает зависимость соломистости хлебной массы от урожайности для сортов пшеницы на Кубани. При урожайности 10 т/га и рабочей скорости 5 км/ч производительность МФА, га/ч: . Количество агрегатов МФА в зависимости от продолжительности уборки n на расчетную уборочную площадь 1000 га определим по формуле: , где nагр - требуемое количество МФА, шт.; 83,33 - эмпирический коэффициент. В качестве критерия оптимизации при обосновании продолжительности уборки пшеницы принята функция затрат и потерь. Имеются в виду затраты Сз, связанные с уборкой пшеницы и прессованием соломы, и стоимость потерь зерна Сп в зависимости от продолжительности уборки n. Окончательно после преобразований этой зависимости Сз и Сп имеют вид: ; . (2) Выражение в квадратных скобках уравнения (2) показывает долю общих потерь зерна за каждый день уборки n. Сам критерий оптимизации Сзп функции затрат Сз и потерь Сп определим по выражению: . Минимальное значение этой суммы определяет оптимум продолжительности уборки и все другие параметры (оптимальную ширину захвата В жатки, величину оптимальных затрат на уборку Сз и потерь урожая Сп). Результаты и их обсуждение График зависимости функции затрат и потерь от продолжительности уборки n, представленный на рис. 1, позволяет установить оптимальное значение продолжительности, равное пяти календарным дням. Экстремальный характер зависимости функции затрат и потерь по точке перегиба позволяет определить ее минимальное значение, а также установить оптимум составляющих затрат Сз и Сп. Уже на пятый день после достижения полной спелости зерна начинается усиленный отток питательных веществ из колоса [3], поэтому уборка каждого сорта пшеницы должна выполняться не более чем за пять календарных дней. На графике показана рациональная загрузка МФА на уборке зерна с одновременным прессованием соломы с оптимальной продолжительностью пять дней. За этот срок предлагаемый МФА должен убрать урожай одного сорта пшеницы с заданным сроком созревания. Поэтому чтобы обеспечить эффективное использование уборочной техники и оптимальную продолжительность уборки каждого сорта, в хозяйстве должны планировать высев четырех-пяти сортов. На рис. 2 представлена структурная схема различных технологий уборки зерновых культур на базе оптимальной системы различных по составу МФА. Из схемы следует, что в качестве энергетических средств в состав МФА могут входить как тракторы, зерноуборочные комбайны (ЗУК), так и универсальное средство «Полесье» УЭС-450 производства Республики Беларусь (уже применяется на практике) [4]. Система МФА отличается гибкими комбинированными агрегатами для различных условий уборки и послеуборочных работ. С использованием той же целевой функции обоснованы продолжительность уборки и параметры МФА на базе УЭС-450 с навесным комбайном КЗР-12 и прицепным пресс-подборщиком для одновременного выполнения уборки зерна и прессования соломы. Ожидаемая эффективность предлагаемого агрегата будет получена за счет совмещения технологических операций и модернизации его технологической схемы. Предложено отделить процесс очистки зерна от комплекса КЗР-12 и перенести его на стационар, а вместо серийного очистителя зерна подсоединить пресс-подборщик также с приводом от вала отбора мощности энергосредства. Планируется выгрузка невеяного вороха на ходу в движущееся рядом транспортное средство. Отделение от комбайна очистки вороха позволяет повысить рабочую скорость почти вдвое, снижаются потери зерна, на каждой тонне намолоченного зерна экономится 1 кг дизельного топлива, все семена сорняков увозятся с поля, собирается полова на корм для животных. Эти преимущества показала производственная проверка технологии, проведенная в Канаде фирмой McLeod Harvest Inc. [5]. Выводы По результатам моделирования и оптимизации работы МФА на базе комбайна TORUM-750 с функцией одновременного прессования соломы для условий Южного региона России обоснованы оптимальная продолжительность уборки озимой пшеницы не более пяти календарных дней для каждого сорта и ширина захвата жатки 4,5 м при урожайности 10 т/га, скорости МФА 5 км/ч, минимальной сумме затрат на уборку и потери зерна 62,7 млн руб. на уборочной площади 1000 га. Преимущество предлагаемого МФА заключается в комплексном выполнении основных уборочных работ, что снижает затраты, потери влаги и потребность в технике за счет совмещения технологических операций.

About the authors

G. G Maslov

Kuban State Agrarian University

Email: maslov-38@mail.ru
DSc in Engineering Krasnodar, Russia

References

Supplementary files