Разработка ресурсосберегающих технологий и средств механизации уборки зерновых культур на основе использования инерционно-очёсных молотильных аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, доктор технических наук Скворцов, Александр Константинович

• Скворцов, Александр Константинович
• доктор технических наук
• 2005

Оглавление диссертации доктор технических наук Скворцов, Александр Константинович

Аннотация

Пояснения к терминам, символам

Введение

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования

1.1. Культура сорго, её биологические особенности

1.2. Биологические особенности риса и условия работы комбайнов

1.3. Существующие технологии уборки сорго

1.3.1. Уборка семенников сорго

1.1.2. Уборка зернового сорго на зерносенаж (монокорм)

1.3.3. Уборка сорго на силос

1.3.4. Уборка сорго на зелёный корм, сено и сенаж

1.4. Семеноводство

1.5. Существующие молотильные аппараты и анализ их рабочих процессов

1.6. Адекватная теория обмолота хлебных культур

1.7. Выводы по главе

1.8. Цель и задачи исследования

Глава 2. Теория инерционно-очёсного обмолота

2.1. Способы подачи растений в молотильное устройство 2.2. Способы разрушения плодоножки

2.3. Условие сохранения стеблей (графоаналитическое исследование)

2.3.1. Первый этап

2.3.2. Второй этап

2.4. Рабочий процесс обмолота

2.5. Кинематика и динамика процесса отделения зерна

2.6. Аналогии к инерционно-очёсному обмолоту 131 1 2.7. Параметры инерционно-очёсного МСУ. Молотильный зазор

2.7.1. Частота пульсаций, диаметр вальцов, число лопастей и обмолачивающих кромок

2.7.2. Однолопастные вальцы

2.8. Оптимизация конструктивных параметров инерционно-очёсных молотильно-сепарирующих устройств. Удельные энергозатраты

2.9. Транспортировка зерна

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка ресурсосберегающих технологий и средств механизации уборки зерновых культур на основе использования инерционно-очёсных молотильных аппаратов»

Актуальность проблемы. Задача науки во все времена заключается в повышении производительности труда, повышении качества технологических процессов и уменьшении материальных и энергетических затрат.

Рассматривая историю развития процесса обмолота, следует отметить, что человек первоначально извлекал зёрна диких злаков безо всяких механизмов путём растирания колосьев или метёлок между ладоней, отделял зерна от растений деревянным пестом в деревянной ступе, позже цепами на току, копытами животных, рубчатыми катками. И делал это с небольшими затратами энергии. Современная технология уборки зерновых культур - обмолот комбайном. ^ Земледелец, обмолачивавший урожай зерновых на току, был ограничен в энергетических возможностях одной лошадиной силой. При обмолоте цепами один работник во время длительной работы развивает мощность 0,1 л. е., а 10 работников, следовательно — 1 л. с. Обмолот естественно осуществлялся с минимально возможными затратами энергии. Современный комбайн Дон-1500Б оснащён двигателем мощностью 235 л. с. и расходует на обмолот 1 кг/с хлебной массы 7 кВт, а на обмолот и очистку зерна - 15 кВт.

Созданные человечеством зерноуборочные комбайны универсальны, убирают зерновые культуры (колосовые и метёлочные), бобовые, кукурузу, подсолнечник и семена трав. Эти культуры имеют разные соцветия, которые обмолачивает одно и ^ то же МСУ «барабан-дека». И если колосовые культуры убирают летом при жаркой погоде и сухом воздухе, то недостаток классического МСУ не проявляет себя резко отрицательно.

А недостаток следующий. На рисунках 1 и 2 представлены рядом для сравнения МСУ «барабан-дека» [242] и дробилка. Конструкции МСУ «барабан-дека» (рис. 1) и молотковой дробилки типа ДКУ-1, КДУ-2, ДБ-5 (рис. 2) имеют много общего: барабаны и деки, бичи и секции молотков, в обоих случаях — сепарирующие устройства. Ряды молотков и бичи, гребни деки дробилки и Ф выступы деки МСУ одинаково характерны скруглёнными углами рабочих поверхностей. Способ воздействия на сырье тоже одинаков — перетирание. Можно # отметить отличие не в пользу МСУ, в котором молотильный зазор жёсткий, а в дробилке шарнирно подвешенные молотки демпфируют рабочий зазор, смягчая воздействие на сырьё.

Метёлочные культуры рис и сорго имеют длительный период вегетации, от 125 до 150 дней; их фаза полной спелости приходится на осень с её высокой атмосферной влажностью, осадками, пасмурным небом, холодами и заморозками. В фазе полной спелости зерна листья и стебли метёлочных культур содержат 70. .60 % влаги, а зёрна - 30. .25 %.

В процессе обмолота в классическом МСУ «барабан-дека» происходит перебивание стеблей и листьев. Повреждённые стебли, листья, ветви метёлок

Рис.1. Молотильный аппарат «барабан-дека» рисоуборочного комбайна «Енисей»

Рис. 2. Схема дробилки зерна выделяют клейкий сок; этот сок подсыхает, и барабан молотильного аппарата останавливается. Кроме того, на ненужные операции — трение сжатой между барабаном и декой хлебной массы, перебивание стеблей и листьев, повреждение зерна - расходуется много энергии. В МСУ «барабан-дека» удельные затраты энергии на перебивание стеблей и листьев, на трение между барабаном, хлебной массой и декой составляют 70 % от всех затрат на обмолот.

Выделение зёрен из соломистого вороха, представляющего собой пространственную решётку из перебитых стеблей листьев, соцветий, требует дополнительных затрат энергии на решётный стан, вентилятор, соломотряс. В Ш целом на молотилку приходится 80 % (76.86) мощности двигателя комбайна. При таких обстоятельствах перетирание всей хлебной массы, как способ обмолота, является мало подходящим воздействием.

По рациональной формуле В.П. Горячкина [58] мощность (работа, энергия, усилие) распределяется для молотильного барабана, как:

Nm = NT + N3 + Nc + Nya, где NnT - мощность, затрачиваемая бильным барабаном на деформацию (перетирание) хлебной массы; NT - трение в подшипниках и перемешивание воздуха; iV3- выделение зерна (разрушение колоса); Nc- разрушение стеблей; Nya — удар и сообщение скорости продуктам обмолота.

М.А. Пустыгин [214] выявил такое распределение мощности для бильного барабана в процентах (табл. 1.1)

Таблица 1.1

Распределение потребляемой барабаном мощности

1 Вредные сопротивления 23

2 Перетирание (сопротивление деки), 70 в том числе: а) трение от сжатия стеблей 30 б) трение от изгиба стеблей 15 в) разрушение колосьев 18 г) разрыв стеблей 7

3 Удар и сообщение скорости 7

По поводу таблицы М.А. Пустыгина мнение А.Н. Гудкова (и его ученика Скворцова А.К.) такое: трение в подшипниках и перемешивание воздуха — это не вредные сопротивления, а сопутствующие; и можно попытаться их уменьшить. А вот трение от сжатых стеблей, трение от изгиба стеблей, разрушение колосьев, разрыв стеблей не нужны и вредны, как в плане затрат энергии, так и в плане выделения зерна из соломистого вороха. Удар и сообщение скорости трансформируются в деформацию плодоножки и транспортировку продуктов обмолота из молотильного зазора. Эти воздействия и являются собственно & обмолотом. Фактически на обмолот расходуется лишь 7 % от затрат энергии на молотильный аппарат.

Наши выводы из анализа работы М.А. Пустыгина такие: хлебная масса не должна подвергаться сжатию. Кроме того, в плане сохранения листьев и стеблей, необходимо исключить воздействие на листостебельную часть растений чрезмерно больших поперечных ускорений. С целью сохранения листьев и стеблей необходимо исключить переход изгиба стеблей и листьев за критическую величину.

Работа молотильного аппарата «барабан-дека» сопровождается повреждением зерна. Это происходит в результате значительного сжатия хлебной массы (и семян в том числе) и высокой окружной скорости барабана 32.35 м/с. Зерно с макро- и микроповреждениями при хранении подвержено воздействию микроорганизмов и амбарных вредителей и, как семена, проявляет невысокие репродуктивные свойства. Необходимо разработать такой молотильный аппарат, который выдаёт высококачественные семена.

В периодической печати имеются публикации о том, что семена некоторых культур и сортов, обмолоченные в фазе восковой спелости, имеют большую энергию прорастания, лабораторную и полевую всхожесть, дают более высокий урожай зерна и зелёной массы (сорго). В плане культуры сорго, имеющей длительный период вегетации, уборка которой приходится на осень, получение ^ семян на неделю раньше имеет существенное значение. В районе Поволжья можно уверенно получать свои семена не только сверхранних сортов, но и более позднеспелых.

Технология уборки сорго на семена вынуждена предусматривать десикацию — обработку растений боевыми отравляющими веществами. Они воздействуют на растение после всасывания через листья.

Ядовитые вещества заражают растения и почву. Листостебельная часть растений в этом случае непригодна на корм животным. Она непригодна и без обработки ядами, в результате естественного высыхания растений. Листья и стебли становятся жёсткими, грубыми, питательные вещества вымыты росой и выжжены ^ солнцем.

Молотильный аппарат, способный отделять зерно зелёных растений, позволит использовать также незерновую часть на корм, то есть убирать весь наземный биологический урожай в разные ёмкости одним проходом агрегата.

В отношении колосовых культур проблема уборки зерна на пищу, фураж или семена в фазе восковой спелости не так остра, но такая технология позволит растянуть сроки уборки без потерь урожая. Кроме того, солома с зелёных растений — это более мягкий, более качественный корм для животных.

Известно много культур, которые дают высокий урожай зелёной массы, кормовых единиц с 1 га и достаточно богаты протеином. Это - клевер, люцерна, А эспарцет, донник, лядвенец рогатый, тимофеевка луговая, овсяница луговая, ежа сборная, житняк, кострец безостый, райграс высокий, райграс многоукосный, волоснец сибирский, вика мохнатая, сераделла, горец Вейриха, борщевик Сосновского и многие другие. Их называют высокопродуктивными кормовыми культурами. Получение семян этих культур представляет значительные трудности вследствие богатой зелёной массы, которая на семенниках идёт в отходы. Здесь может исправить ситуацию молотильный аппарат, способный обмолачивать растения в широком диапазоне влажности. И в этом случае сбор семян будет осуществляться одновременно со сбором урожая зелёной массы.

Цель работы — разработка ресурсосберегающих технологий и средств ^ механизации уборки зерновых культур на примере сорго и риса с использованием инерционно-очёсных молотильных аппаратов.

Объектами исследования являются технологические процессы и технические средства уборки всего наземного биологического урожая метёлочных культур и растений с иными соцветиями.

Предмет исследования - параметры рабочих органов и режимы работы процесса инерционно-очёсного обмолота, его взаимосвязи в технологических ф схемах зерноуборочных комбайнов.

Методы исследований - системно-структурный анализ технологий и средств механизации уборки зерновых культур, физическое моделирование, математическое моделирование, математическая теория эксперимента, натурный эксперимент.

Научная новизна состоит в разработке:

- инерционно-очёсного способа обмолота в широком диапазоне влажности метёлочных культур и культур с иными соцветиями;

- закономерностей сохранности в процессе обмолота зерна, стеблей, листьев и соцветия;

- модификаций инерционно-очёсных молотильно-сепарирующих устройств;

- технологических схем зерноуборочных комбайнов;

- в обосновании характеристик инерционно-очёсных молотильно-сепарирующих устройств.

Новизна технологических и технических решений защищена тремя сольными патентами и тремя — в соавторстве на патентовладельца ВГСХА.

Практическую значимость составляют:

- конструкторские разработки (на основе созданной теории) пяти модификаций инерционно-очёсных МСУ;

- технология уборки всего наземного биологического урожая риса, сахарного сорго, зернового сорго, пшеницы в широком диапазоне влажности;

- технология изготовления веников с использованием инерционно-очёсного МСУ.

Реализация результатов исследований. Технологии уборки всего наземного биологического урожая сахарного сорго агрегатом, состоящим из комбайна «Нива», приспособления для уборки початков кукурузы ППК-4, блока выносных молотильных камер, а также автомобиля-самосвала и трактора МТЗ-80 с тележкой 2ПТС-4М прошла производственную проверку в 1990 году на полях НПО «Саратовсорго».

Селекционная молотилка для сорго эксплуатировалась с 1991 года заведующим Волгоградским филиалом Всероссийского научно-исследовательского института сорго и других зерновых культур (ВНИИ СЗК) Куликовым А.И.

Производственный обмолот 5000 кг метёлок сорго-суданкового гибрида • осуществлён в лаборатории программирования урожая ВГСХА с 11.1992 по 01.1993.

В производстве веников использовались стационарные молотилки в ГУП ОПХ «Волгоградское» с декабря 1993 года по апрель 1997, с октября 2001 по февраль 2002 года и в Волгоградском областном «Агропромэнерго» с октября 1995 по май 1996 года.

Технология уборки веничного сорго комбайном, состоящим из трактора Т-16МГ, прямоточной выносной молотильной камеры (ПВМК), жатки, транспортёра метёлок и тракторной тележки 2ПТС-4М внедрена в ОАО «Червлёное» в 2002 году.

Научно-методические разработки используются в учебном процессе ВГСХА т курсовое, дипломное проектирование, аспирантура) по специальностям «Механизация сельского хозяйства» и «Механизация переработки сельскохозяйственной продукции».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались с 1990 по 2004 год на ежегодных научно-технических конференциях ВГСХА, международных научно-практических конференциях, заседаниях ученых советов Всероссийского научно-исследовательского института орошаемого земледелия (ВНИИОЗ), Всероссийского научно-исследовательского агролесомелиоративного института (ВНИАЛМИ), на техническом совете ГСКБ Волгоградского экспериментального завода оросительной техники (ВЭЗОТ), на ^ техническом совете Волгоградского филиала Всероссийского научно-исследовательского проектно-технологического института механизации и электрификации сельского хозяйства (ВНИИПТИМЭСХ). Было доложено на научно-производственном совещании ВНИИ СЗК, на научно-производственном совещании НПО «Саратовсорго», техническом совете Волгоградского областного отдела механизации сельского хозяйства, Волгоградской областной «Сельхозтехники», конференциях ассоциации «Большая Волга». ^ Структура и объём диссертации. Диссертация в виде монографии состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы. Отдельно

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», Скворцов, Александр Константинович

Общие выводы по диссертации

1. Культуры с соцветием метёлка к началу фазы полной спелости семян содержат влаги в зёрнах 30. .25% и в листостебельной массе - 70.60%.

2. Молотильно-сепарирующие устройства способны обмолачивать метёлочные культуры в широком диапазоне влажности, если эти МСУ соответствуют трём критериям:

1) обмолот в просторном молотильном зазоре;

2) небольшие ударные нагрузки поперек стеблей;

3) соответствие рабочих поверхностей МСУ критическим радиусам изгиба частей растений.

3. Из способов обмолота выбран очёс.

4. В качестве фундамента для строительства теории нового способа обмолота приняты рациональная формула В. П. Горячкина, её анализ М. А. Пустыгиным и теоретические выкладки П. П. Карпуши по захлёстыванию метёлки.

5. Принята физическая модель соцветия как сосредоточенной массы, расположенной на упругой и гибкой консольной балке. Введено понятие «захлёстывание» - вращение массы на уменьшающемся радиусе и раскрыта его роль в рабочем процессе обмолота.

6. Создана теория инерционно-очёсного обмолота. Она состоит из трёх частей: 1) теория сохранения листьев и стеблей в процессе обмолота; 2) теория очёса метёлок; 3) общая теория - оптимизация конструктивных параметров инерционно-очёсных молотильно-сепарирующих устройств - для обмолота большинства культур.

7. Предложен новый вид очёсных МСУ - инерционно-очёсный, характеризующийся признаками:

- пара синхронных вальцов «-угольного профиля, имеющего выпуклые стороны и скруглённые углы;

- пара синхронных битеров с п лопастями криволинейного профиля выпуклостью наружу, закреплёнными на опоре с наклоном назад; п= 1. .6.

8. Определён состав рабочих органов вальцов: передняя половина грани, углубление (канавка), обмолачивающая кромка, транспортирующая площадка, выступ; определён состав рабочих органов битеров: собственно лопасть, углубление (канавка или щель), обмолачивающая кромка, транспортирующая площадка, (пластина), выступ.

9. Инерционно-очёсный обмолот осуществляется без внедрения рабочих органов внутрь хлебной массы, что исключает обрыв путанины.

10. Удельные энергозатраты на обмолот инерционно-очёсным МСУ находятся в пределах 0,16.0,36 кВт на 1 кг/с подачи хлебной массы, или в 10.30 раз ниже, чем в молотильном аппарате «барабан-дека». Это позволяет значительно уменьшить массу зерноуборочного комбайна, снизить расход топлива на уборку урожая.

11. Обмолот в просторном молотильном зазоре позволяет получать высококачественные семена.

12. Инерционно-очёсные МСУ являются инструментом, позволяющим получить новые результаты в селекции, семеноводстве, создать новые технологии уборки метёлочных культур, колосовых культур и культур с иными соцветиями.

13. Теория инерционно-очёсного обмолота доказана экспериментально и подтверждена хозяйственной проверкой, в том числе и в полевых условиях.

14. Инерционно-очёсные молотильно-сепарирующие устройства способны обмолачивать растения с различными соцветиями в широком диапазоне влажности — до 70% листья и стебли и до 46% зерно, что позволяет обмолачивать культуры в фазах, более ранних, чем фаза полной спелости.

Рекомендации производству

Инерционно-очёсиый обмолот рекомендуется применять в селекции и первичном семеноводстве, семена свободны от повреждений при более ранней фазе спелости, чем полная спелость.

Технологические схемы комбайнов с инерционно-очёсными МСУ рекомендуются для уборки всего биологического урожая зерновых и кормовых культур зерно и листостебельная масса в разные ёмкости одним проходом комбайна.

Рекомендуются следующие параметры инерционно-очёсных МСУ: диаметр битеров — 150 мм, число лопастей 3, радиус кривизны лопасти - 80. 120 мм, радиус кривизны выступа - 10. 15 мм, глубина канавки - 4 мм, ширина канавки - 10. 12 мм, вылет лопасти - 50.57 мм.

Селекционный обмолот рекомендуется проводить на режиме: скорость подачи - 0, 25. .0,50 м/с, скорость обмолота - 9,0. .10,0 м/с.

Уборку урожая метёлочных культур, колосовых и культур с иными соцветиями рекомендуется проводить с подачей от 0,5 до 3,0 м/с, при этом окружная скорость обмолота соответственно выбирается в пределах от 10 до 18 м/с. Выносные молотильные камеры продольно-ручьевые. Ширина захвата комбайна до 12 м позволяет значительно увеличить производительность комбайнов.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Скворцов, Александр Константинович, 2005 год

1. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий-М.: Наука, 1976.-280 с.

2. Алабушев А.В, и др. Проблемы и перспективы технологии возделывания сорго на зерна и зеленую массу //Кукуруза и сорго. 1996. — № 1. —С. 13-16.

3. Алабушев А.В. и др. Различные способы уборки сахарного сорго. // Кукуруза и сорго. 1996. -№ 6. - С. 12-13.

4. Алабушев А.В. и др. Технология возделывания сорго на зерно, семена, силос. Рекомендации. Зерноград, 1989. - С. 4-7; С. 15-16.

5. Алабушев А.В. К технологии комплексный подход // Кукуруза и сорго. -1993.-№ 1.-С. 6-7.

6. Алабушев А.В. Результаты и перспективы исследований по технологии возделывания сорго: Тез. докл. Российской конференции. Проблемы биологии, селекции и технологии возделывания и переработки сорго. Волгоград, 1992. -С. 74-81.

7. Алабушев А.В. Сорго (селекция, семеноводство, технология, экономика) / А.В. Алабушев, JI.H. Анипенко, Н.Г. Гурский, Н.Я. Коломиец, П.И Костылев, П.А. Мангуш, О.И. Алабушева. Ростов-на-Дону, 2003. - 368 с.

8. Алабушев А.В., Анипенко А.Н. Эффективность производства сорго зернового. Ростов-на-Дону: ЗАО «Книга», 2002. - 192 с.

9. Алабушев А.В., Герасименко Г. П. Сорго культура засушливой степи // Кукуруза и сорго. 1993. № зс. 18-19.

10. Алабушев А.В., Шишкин Н.В., Сарычева Н.И. Новые элементы технологии возделывания сорго. Тез. докл. Российской конференции. Проблемы биологии, селекции и технологии возд. и переработки сорго. Волгоград, 1992. -С. 78-79.

11. Алабушев А.В., Шишкин Н.В., Стешенко А.И. Способы основной обработки почвы при возделывании зернового сорго // Кукуруза и сорго. -1996. -№ 6. С. 15.

12. Алдошин И.Ф., Пиронков М.Ф., Яковлев Л.П. МКС-1М — для зерновых культур. Новые селекционные молотилки // Селекция и семеноводство. — 1980.-№5.-С. 45-46.

13. Алферов С.А., Калошин А.И., Угаров А.Д. Как работает зерноуборочный комбайн. — М.: Машиностроение, 1981. — 192 с.

14. Анисимов В.А., Васин М.П., Шполянский В.Л. Аппарат для обмолота метелок сорго // Кукуруза. 1978. - № 4. - С. 25.

15. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1975.- 340 с.

16. Атаманченко Т.М., Мальцев В.А., Ржевский А.И. Сладкий сок для коров // Кукуруза и сорго. 1993. — № 1. — С. 10-11.

17. Ахламов Ю.Д., Михайличенко Б.П., Отрошко С.А., Шевцов А.В. Машина19.