Методология формирования энерго- и ресурсосберегающей технологии уборки зерновых культур в условиях фермерских хозяйств (на примере Украины)

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

МЕТОДОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ УБОРКИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР В УСЛОВИЯХ ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВ (на примере УКРАИНЫ)

Леженкин Александр Николаевич

Москва - 2008

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

бескомбайновый уборка зерновой плодородие

Актуальность темы. Механизация уборки зерновых культур вступила в тот этап, когда дальнейшее повышение пропускной способности комбайнов, стало экономически нецелесообразно, так как, в основном, приводило к росту энергозатрат, повышению массы комбайнов, а также увеличению их стоимости. На сегодняшний день сама идея комбайновой уборки должна быть пересмотрена по многим позициям (высокие транспортные затраты, ограниченные производительности обмолота, проблема уборки полеглых хлебов, невозможность уборки влажной массы и т.д.).

Особенно остро проблема уборки зерновых стоит перед фермерскими и крестьянскими хозяйствами, которые, как правило, не имеют собственной зерноуборочной техники. В то же время имеется выход из сложившейся ситуации. Серьезной альтернативой комбайновой уборке зерна являются стационарные технологии. В 80-е годы прошлого столетия были разработаны различные технологические схемы и изготовлены опытные образцы технических средств для бескомбайновой уборки зерновых. Однако, эти технологии не нашли широкого внедрения в производстве ввиду ряда существенных недостатков, главным из которых являются высокие энергозатраты.

Значительно снизить энергозатраты на уборку позволит использование метода очесывания растений на корню, с последующей доработкой вороха на стационаре.

При этом немаловажной задачей при использовании очеса является уборка незерновой части урожая.

До настоящего времени, несмотря на возросший интерес к разработке методов и средств повышения почвенного плодородия, за счет эффективного использования растительных остатков, отсутствует единая система методологического обоснования применения для этих целей соломы зерновых культур, которая является источником органического вещества в образовании и обогащении почвы гумусом.

В связи с изложенным, разработка научно-обоснованных методов уборки зерновых культур очесом на корню в условиях фермерских и крестьянских хозяйств, обеспечивающих снижение энергозатрат и повышающих плодородие почв за счет эффективного внесения соломы в почву, составляют актуальность научно-технических проблем, решение которых имеет большое научное и практическое значение.

Цель работы -- исследовать и обосновать процедуры формирования стационарных технологий и технических средств для бескомбайновой уборки зерновых культур, обеспечивающих снижение энергозатрат и повышение плодородия почв.

Для реализации цели работы сформулированы задачи исследования:

- исследовать агробиологические и физико-механические свойства зерновых культур применительно к их очесу на корню;

- разработать и обосновать общую технологическую схему уборки зерновых культур методом их очеса на корню;

- разработать модели функционирования технологических процессов машин и агрегатов, обеспечивающих эффективную уборку и послеуборочную доработку зерновых культур;

- исследовать динамику движения по полю прицепного уборочного агрегата, с целью обоснования режимов его устойчивого движения;

- обосновать методологические приемы формирования способов применения очесанной соломы зерновых в качестве органических удобрений для повышения эффективности ее использования в экологическом земледелии;

- научно обосновать и выполнить процедуры учета энергозатрат комбайновой и стационарной технологий уборки.

Объектами исследований были выбраны технология и технологические процессы технических средств уборки зерновых культур.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- общая технологическая схема уборки зерновых культур методом их обмолота на корню с доработкой очесанного вороха на стационаре, базирующаяся на совокупности моделей функционально взаимосвязанных процессов;

- математические модели технологического процесса работы очесывающего устройства с учетом вероятностной природы его функционирования;

- математические модели движения по полю прицепного уборочного агрегата очесывающего типа, позволяющие аналитически обосновать диапазон рабочих скоростей обеспечивающих устойчивость агрегата;

- агробиологические основы процесса гумификации очесанной соломы зерновых культур.

Научную новизну работы составляют:

- методологические аспекты разработки стационарной технологии с использованием очеса растений на корню, обеспечивающей рациональные технико-эксплуатационные показатели работы отдельных машин;

- теоретическое обоснование и математические модели для разработки схемотехнических решений при создании полевых уборочных машин очесывающего типа и стационарных агрегатов доработки очесанного вороха;

- механико-математические основы исследования динамики уборочного агрегата для установления рациональных режимов его функционирования;

- математическая модель процесса гумификации соломы зерновых культур.

Практическую значимость работы представляют:

- технические решения, реализующие технологические процессы сбора, транспортирования, сепарации и приготовления кормовых брикетов из вороха зерновых культур;

- результаты полевых испытаний уборочных машины очесывающего типа;

- методики расчета технологических и энергетических показателей уборочной машины;

- методики расчета технологических параметров сепарирующих очесанный ворох устройств;

- численные значения физико-механических и агробиологических свойств зерновых культур в связи с их очесом на корню;

- результаты исследований процесса гумификации очесанной соломы зерновых.

Личный вклад автора заключается в формулировке проблемы, проведении теоретических и экспериментальных исследований, анализе полученных результатов:

- экспериментальные исследования самоходной уборочной машины - с сотрудниками ТГАТУ Цыбульниковым В.Н. и Масленниковым В. В.;

- экспериментальные исследования физико-механических свойств растений - с сотрудником ТГАТУ Григоренко С. М.;

- экспериментальные исследования прицепной уборочной машины выполнялись сотрудником ТГАТУ Григоренко С. М.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:

- международной научн.-практ.конференции «Моделирование процессов и технологического оборудования в сельском хозяйстве» (Мелитополь, 1994 г.);

- международной научно-технической конференции «Землеробська механіка на рубежі сторіч» (Мелитополь, 2001 г.);

- международной конференции «Актуальные проблемы инженерного обеспечения АПК» (Ярославль, 2003 г.);

- международной конференции «Актуальные проблемы инженерного обеспечения АПК» (Ярославль, 2004 г.);

- международной научно-технической конференции «Перспективные технологии уборки зерновых культур, риса и семян трав» (Мелитополь, 2003 г.);

- научной конференции «Методы статистической динамики в сельскохозяйственном производстве» посвященной 80 годовщине со дня рождения А.Б.Лурье (Санк-Петербург, 1992 г.);

- научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов СПбГАУ (1990 - 2003 г.);

- научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов (ТГАТУ, Мелитополь, 2000 - 2004 г.);

- VII международной научно-технической конференции «Современные проблемы земледельческой механики» посвященной 106 годовщине со дня рождения П. М. Василенко (Мелитополь 2006 г.);

- международной конференции посвященной 95-летию со дня рождения профессора А.Б.Лурье (Санк-Петербург-Пушкин-2008 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 37 опубликованных работах, в том числе в центральных научных журналах (Леженкин А.Н. Динамика очесывающего агрегата при уборке зерновых культур / А.Н. Леженкин // Механиз. и электриф. сел. хоз-ва.- 2004.-№12.- С.24-25; Леженкин А.Н. Моделирование полевой уборки зерновой части урожая (машиной для фермерских и крестьянских хозяйств) / А.Н. Леженкин// Механиз. и электриф. сел. хоз-ва.- 2005.-№5.- С.15-18; Леженкин А.Н. К обоснованию максимальной критической скорости движения прицепного зерноуборочного агрегата очесывающего типа// А.Н. Леженкин// Механиз. и электриф. сел. хоз-ва.- 2006.-№11.- С.29-32; Леженкин А.Н. Математические модели технологического процесса уборки зерновых культур/ А.Н. Леженкин// Вестник/ МГАУ им. В.П. Горячкина. Агроинженерия.- 2008.- Вып.1(26).- С.67-69; Леженкин А.Н. Определение сил и моментов сил упругости шин колес прицепа-тележки для сбора очесанного вороха/ А.Н. Леженкин// Вестник/ МГАУ им. В.П. Горячкина. Агроинженерия.- 2008.- Вып.1(26).- С.91-93; Леженкин А.Н. Результаты экспериментальных исследований горизонтальных колебаний прицепного уборочного агрегата/ А.Н. Леженкин// Механиз. и электриф. сел. хоз-ва.- 2008.-№1.- С.7-8.)

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи разделов, общих выводов и приложений. Работа изложена на 503 страницах машинописного текста (основного текста 393, приложения 110 страниц), содержит 131 рисунок и 28 таблиц. Список использованных источников включает 290 источников из них 10 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, раскрыты научная новизна и практическая ценность работы, а также основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе «Анализ состояния вопроса» представлен аналитический обзор опубликованных работ по теме диссертации, дается оценка современного состояния механизации уборочных работ, а также формулировка проблемы, ее содержание и пути ее решения.

Вопросам разработки технологий уборки зерновых культур посвящены исследования Антипина В.Г., Кленина Н.И., Жалнина Э.В., Авдеева А.В., Егорова В.Г., Канарева Ф.М., Шпокаса Л.И., Пенкина М.Г и др. В результате проведенных исследований были разработаны различные технологические схемы уборки зерновых культур.

Анализ литературных источников показал, что повысить эффективность технологического процесса уборки зерновых возможно за счет использования метода очесывания растений на корню. Значительный вклад в обоснование и разработку технических средств уборки зерновых культур методом очесывания на корню внесли Погорелый Л.В., Шабанов П.А., Данченко Н.Н., Аблогин Н.Н., Голубев И.К., Гончаров Б.И., Шокарев А.Н., Шкиндер В.Н., Цыбульников В.Н., Повиляй В.М.

По результатам обзора работ была сформулирована проблема уборки зерновых культур в условиях фермерских хозяйств. Для решения поставленной проблемы предложена структурная схема проведения исследований, представляющая собой цепь иерархически соподчиненных элементов, находящихся на различных уровнях и логически взаимосвязанных между собой.

Во втором разделе «Механико-технологические основы обоснования технологии уборки зерновых с использованием очеса растений на корню» исследованы агробиологические, физико-механические и механико-технологические свойства зерновых культур в связи с их очесом на корню, разработана математическая модель уборочного процесса, а также предложены модели функционирования отдельных звеньев уборочного комплекса с учетом вероятностной природы их работы.

При очесе растений на корню встает задача установления и оценки агробиологических и физико-механических свойств зерновых культур.

Одной из важных биологических особенностей зерновых культур, существенным образом влияющим на их уборку, является большая разница во влажности отдельных частей растений. Так, у колосовых культур в верхней части она составляет 13...25%, а в нижней - 21...48%; у метелочных культур (овес, просо) - в верхней части стебля влажность колеблется в пределах 20...45%, а в нижней - 60...67% (рис.1).



Проведенные исследования влажности зерна в южной зоне Украины показали, что средние значения влажности колеблются в пределах 10, 9...16, 1% у колосовых и 14, 8...18, 4% у метелочных, при этом коэффициент вариации составляет 6, 5...11, 5%. Эта закономерность распределения влажности в растении является одним из основных преимуществ очеса растений на корню так как при этом сухое зерно не смешивается с влажной соломистой массой.

Для оценки прочностных характеристик зерновых культур были проведены исследования в полевых условиях.

Исследования показали, что средние значения усилий отрыва соцветий от стебля в два раза превышают средние значения усилий теребления из почвы, что является основополагающим фактором качественного протекания технологического процесса очеса растений на корню (рис.2).



На основании анализа результатов предыдущих исследований [А. Б. Лурье, Л. В. Погорелова, Э. В. Жалнина, П. А. Шабанова, Н. Н. Данченко, И. К. Голубева. и др.], а также исследований агробиологических и механико-технологических свойств зерновых культур была разработана структурная схема технологического процесса уборки зерновых культур методом очесывания их на корню (рис.3), преобразующая входные воздействия в виде условий функционирования Х(Г_q) в выходные Y(Г_q), определяющие количественные и качественные показатели работы.

Подсистемами в данной системе являются, в основном, последовательно соединенные технологические процессы, выполняемые комплексами мобильных машин и стационарных агрегатов, например, таких как: 1 - очесывание растений на корню; 2 - срез, измельчение и разбрасывание очесанной соломы по полю; 3 - сепарация очесанного вороха; 4 - измельчение оборванных колосков и грубых соломистых примесей; 5 - смешивание измельченной массы; 6 - приготовление кормовых брикетов; 7 - очистка зернового вороха.

Уборочный процесс зерновых является сложной многопараметрической системой, схема функционирования которой имеет иерархическую структуру, включающую в себя модели отдельных процессов, явлений и их взаимосвязи.

Первой операцией в технологической цепи уборки зерновых культур является очес растений на корню, который выполняет полевая уборочная машина.

Полевая уборочная машина работает в условиях постоянно меняющихся внешних воздействий вероятностной природы. Такими факторами являются: неровности поверхности поля Z(l), вызывающие колебания очесывающего устройства, урожайность соломы U_c(l) и зерна U₃(l), высота стеблестоя H(l), влажность зерна W_з(l) и влажность соломы W_c(l) и т.д. В связи с этим все внешние воздействия и выходные показатели работы полевой уборочной машины следует рассматривать как случайные функции (процессы) времени или пути. Для изучения технологического процесса уборочной машины представим ее в виде информационной модели, построенной по принципу «вход-выход» (рис.5).

На входе модели действует вектор-функция условий работы (внешних возмущений):

. (1)

В качестве выходной переменной принимается вектор-функция количественных показателей выполнения технологического процесса уборки:

, (2)

где - суммарные потери зерна за машиной;

- фракционный состав вороха;

- общее травмирование зерна;

и - производительность характеризующаяся количеством уборочной площади (га/ч) и количеством очесанного вороха в единицу времени (кг/с);

- высота среза стерни;

- длина резки соломы.

Управляющими воздействиями в модели являются глубина погружения очесывающего устройства в стебли (h), скорость движения уборочного агрегата (V_a) и высота установки режущего аппарата.

Второй операцией технологического процесса уборки зерновых является доработка очесанного вороха.

Доработка зернового вороха может быть представлена в виде взаимосвязанных операций, описывающей возможные реализации отдельных технологических операций различными рабочими органами (рис. 5). Стационарная работа этих рабочих органов в поточной линии, особенности их технологических процессов, а также особенности очесанного вороха, предопределяют специфику моделей, а также методов и средств обеспечения их технологической надежности.

Модель функционирования технологического процесса, выполняемого бункером-дозатором очесанного вороха, можно рассматривать, как модель трех основных технологических операций: кратковременное хранение (ХВ), транспортирование (ТВ) и дозирование (ДВ). Вектор входных возмущений модели (БД) целесообразно рассматривать как многокомпонентный градиент, описывающий состояние очесанного вороха, характеризуемого его фракционным составом Ф(t), размерно-массовыми характеристиками L(t), влажностью зерна W(t) и влажностью соломы W_с(t).

Результатом функционирования Y_БД(t) технологического процесса бункера-накопителя является дозированная подача вороха на предварительную обработку. Величина подачи характеризуется вектором Н_БН.

Первая составляющая выходного вектора модели ПО - У_зпо является входным вектором модели очистки зернового вороха (ОЗВ), а вторая (У_спо) - входом в измельчитель вороха, который измельчает необмолоченные колоски (метелки) и грубые соломистые примеси. Выходной процесс измельчения можно представить в виде вектора У_зси, который характеризует длину резки соломистых примесей и необмолоченных колосков (метелок). Измельченная зерносоломистая масса поступает в накопительный бункер, модель функционирования которого включает модели временного хранения измельченной зерносоломистой массы (ХЗСИ) ее транспортирования (ТЗСИ) и дозирования (ДЗСИ). Смешивание измельченной зерносоломистой массы осуществляется в смесителе СЗС, функционирование которого предполагает подачу различных добавок. Выход смесителя У_с(t) является входом для брикетирования. В результате роботы пресса из зерносоломистой смеси получаются кормовые брикеты.

Для очистки зернового вороха используется ворохоочиститель ОЗВ, в результате работы которого входной поток разделяется на два выходных. Первый характеризует качественные характеристики очищенного зерна У₃, а второй - состояние соломистых примесей У_с.

Для построения математической модели уборочного процесса была использована теория массового обслуживания.

Исходя из технологического процесса уборки зерновых, за поток требований в поточной линии были приняты порции очесанного вороха с направлением их перемещения с поля на стационарный пункт. При этом учитывалось, что поток порций очесанного вороха (требований) создают полевые уборочные машины, накапливая его в прицепных емкостях. Прицеп-тележка трактором перемещается с поля на стационарный пункт доработки, и тем самым, создает поток порций очесанного вороха (требований) на доработку (обслуживание) их стационарным агрегатом.

Возможные состояния технологической цепи уборочного процесса, которые учитывают функционирование, местонахождение и взаимодействие машин, как в поле, так и на зернотоке, можно представить в виде графа состояний (рис. 6).



На основании построенного графа состояний и интенсивности переходов была получена математическая модель уборочного процесса в виде системы алгебраических уравнений (3) описывающих совместное функционирование звеньев УТК.

Интенсивности потоков очесанного вороха (_ум и _т), трактора с пустым прицепом при движении с зернотока на поле _тх и обслуживания машинами порций вороха (_тз, _вп, _д) определялись из зависимостей:

(4)

где и - интенсивность и среднее время заполнения уборочной машиной тележки очесанным ворохом;

и - интенсивность и среднее время замены полной тележки на пустую;

и - интенсивность и среднее время перемещения тележки с ворохом на зерноток;

и - интенсивность и время холостого движения трактора с пустым прицепом;

и - интенсивность и время выгрузки полного прицепа в бункер;

и - интенсивность и время на доработку вороха.

В третьем разделе «Технические средства обеспечения уборочного процесса» приводятся технологические схемы уборочных машин результаты их испытаний в полевых условиях, полученные методом идентификации моделей функционирования, основы расчета технологических показателей, а также схемотехнические решения стационарного агрегата для доработки очесанного вороха.

Для сбора очесанного вороха были разработаны технологические схемы прицепной (рис 7) и самоходной уборочных машин с рабочими органами очесывающего типа конструкции лаборатории уборочных машин ТГАТУ.

Технологический процесс прицепной уборочной машины (рис. 8) протекает следующим образом. При движении машины по полю очесывающее устройство очесывает растение, воздушный поток создаваемый барабанами 2 и 3 направляет ворох в приемную камеру 11, откуда он скребковым транспортером 4 подается в пневмотранспортер 6 и под воздействием воздушного потока создаваемого центробежным вентилятором 5 транспортируется в тележку 10.

Технологический процесс самоходной уборочной машины протекает аналогичным образом.

Основным показателем определяющим технологический процесс уборочной машины является ее производительность. При этом следует различать производительность уборочной машины характеризующуюся уборочной площадью в единицу времени, и производительность, характеризующуюся количеством очесанного вороха. Оба показателя важны в равной степени.

Производительность очесывающего устройства, характеризующая убранную площадь, определяется по формуле:

, (га/ч) (5)

где В - ширина захвата очесывающего устройства;

V - скорость движения агрегата;

k_Т - коэффициент, учитывающий потери времени по технологическим причинам (замена тележки, развороты и т. д.), k_Т = 0, 77…0, 81.

В данном случае производительность очесывающего устройства будет равна производительности всей уборочной машины, т.е. .

Производительность очесывающего устройства, которая характеризуется количеством очесанного вороха в единицу времени (кг/с), зависит от многих факторов, и, в первую очередь, от урожайности зерна и соломы.

Производительность очесывающего устройства определяется из соотношения:

, (6)

где U_з - урожайность зерна, кг/м²;

К_А - обобщенный коэффициент, учитывающий агробиологические свойства культур и состояние стеблестоя, так для неполеглых растений пшеницы К_А=1, 15…1, 25; для ячменя К_А = 1, 22…1, 34; для полеглых растений пшеницы и ячменя К_А = 1, 41…1, 5.

Приведенные формулы расчета производительности уборочной машины очесывающего типа дают возможность рассчитать количество единиц уборочной техники для заданной площади, а также выполнить расчет транспортного звена и определить загрузку агрегата доработки очесанного вороха.

Исследования самоходной уборочной машины проводились на опытных полях Кировоградского научно-производственного объединения «Элита».

Перед началом проведения испытаний оценивались условия функционирования уборочной машины. Условия функционирования уборочной машины (табл. 1).

Таблица 1. Характеристика агрофона для проведения испытаний МПУ

Наименование показателей	Значение показателей
Культура	Озимая пшеница	Яровой ячмень
Сорт	Донская полукарл.	Одесский 100
Средняя высота растений, м	0, 92	0, 70
Средняя урожайность, ц/га	47, 0	35, 6
Отношение массы зерна к массе соломы	1: 3	1: 2
Влажность зерна, %	9, 4	10, 2
Влажность соломы, %	12, 8	15, 0

Основными показателями работы уборочной машины являются: производительность (га/ч), потери (%), травмирование зерна (%), плотность очесанного вороха (кг/м³) и фракционный состав вороха.

В ходе проведения эксперимента было выявлено, что очесывающее приспособление удовлетворительно выполняет технологический процесс на скоростных режимах 0, 6…3, 3 м/с, при этом производительность составила 1, 8…2, 0 га/ч.

Таблица 2. Показатели качества работы очесывающего устройства

Наименование показателей	Значение показателей
1	2	3
Культура Сорт	Озимая пшеница Полукарликовая	Яровой ячмень Одесский 100
Рабочая скорость, м/с Производительность, га/ч	0, 6...1, 25 1, 5...1, 6	0, 6...3, 3 1, 8…2, 0
Средняя величина потерь всего % в том числе свободным зерном, % неочесанным колосом, %	0, 40 0, 36 0, 04	0, 87 0, 74 0, 13
Высота стерни, см Плотность зерно-соломистого вороха, кг/м	30...60 110, 6	30...40 96, 0
Фракционный состав вороха: свободное зерно, % зерно в колосьях, % солома, %	61, 0 2, 7 36, 3	60, 0 1, 0 39, 0
Повреждение зерна, % в том числе: дробленое зерно травмы и микротравмирование обрушенное зерно	1, 1 11, 7 -	0, 2 6, 7 0, 2
Энергия прорастания Лабораторная всхожесть	92, 2 96, 0	92, 5 96, 0

Высота стеблей после очеса колебалась по озимой пшенице 0, 3…0, 6 м, ярового ячменя 0, 3…0, 4 м.

Потери зерна неочесанным колосом составляют 0, 04% - на уборке озимой пшеницы, 0, 13 - на яровом ячмене, свободным зерном 0, 36% и 0, 74% соответственно (табл. 2).

Фракционный состав вороха свидетельствует, что около 60% составляет свободное зерно, остальное - солома, полова и колосья.

Анализируя качественные показатели семян следует отметить, что уровень дробления семян соответствует агротехническим требованиям, и составляет 0, 2...1, 1%. Однако наблюдалось значительное микроповреждение зерна (6, 7…11, 7%) табл. 2. Это явилось следствием конструктивной недоработки транспортирующих рабочих органов, в частности, транспортера-питателя. При выполнении технологического процесса транспортирования допускалось взаимодействие зерновой массы с движущимися металлическими частями транспортера, что и явилось причиной повышенного микротравмирования семян. Зерно убранное очесывающим приспособлением отвечает I классу.

На рис. 8 приведены графики зависимостей изменения потерь от поступательной скорости машины.

Исследования прицепной уборочной машины проводились в уборочный сезон 2006 года на полях ООО «Фридом Фарм Тера» и ООО «Приазовье» (Мелитопольского района Запорожской области) на уборке сои и проса. Перед началом испытаний были определены статистические характеристики агрофона (табл. 3).

Таблица 3. Статистические характеристики агрофона для проведения испытаний прицепной уборочной машины

Наименование показателей	Значение показателей
Культура	Соя	Просо
Сорт	Агат	Старт
Статистические характеристики			V, %			V, %
Высота растений, м	0, 968	0, 034	3, 51	0, 565	0, 037	6, 55
Урожайность зерна, ц/га	16, 3	1, 96	12, 02	236	17	7, 2
Влажность зерна, %	12, 4	0, 7	5, 64	17, 8	1, 82	10, 2
Влажность соломы, %	13, 8	0, 9	6, 52	18, 4	2, 1	11, 4
Высота расположения нижних стручков, м	0, 0063	0, 0009	14, 29	49, 2	5, 2	10, 5

Результаты испытаний прицепной уборочной машины приведены на рис. 9.

Как видно из результатов испытаний потери не превышают агротехнических требований при скорости движения 1, 8-2 м/с. Диаграммы, характеризующие фракционный состав вороха сои и вороха проса приведены на рис. 10.

Приведенные диаграммы показывают, что свободного зерна в очесанном ворохе содержится 61, 37…87, 30% остальное соломистые примеси и необмолоченные метелки (стручки).

Математическое описание моделей функционирования сельскохозяйственных агрегатов заключается в установлении вида и характера преобразования входных векторных функций в выходные. С этой целью в условиях нормального функционирования были проведены исследования очесывающего устройства, навешенного на полевую уборочную машину.

С достаточной для практических расчетов точностью можно принять некоррелированность входных воздействий q₃(l) и Н(l). Наибольшие значения коэффициентов корреляции не превышали 0, 15. В первом приближении, на основании проведенного анализа статистических связей, а также оценки линейности, были приняты операторы в виде одномерных регрессионных моделей.

Статистические связи на входе и выходе технологического процесса очесывающего устройства формализуются регрессионными моделями вида

(7)

Численные значения коэффициентов регрессии приведены в табл. 4.

Таблица 4.Значения коэффициентов и степени идентичности одномерных моделей регрессии

Модели	Скорость движения агрегата, м/с	Численные значения
		a	b	ж
	1	0, 71	0, 85	0, 70
		-0, 0135	0, 0097	0, 61
		0, 2125	0, 5722	0, 63
	1, 5	0, 591	0, 943	0, 79
		-0, 016	0, 01	0, 60
		0, 074	0, 693	0, 65
	2, 2	3, 18	0, 384	0, 72
		-0, 0012	0, 014	0, 5
		-0, 38	1, 216	0, 65

В соответствии со структурно-логической схемой функционирования стационарного пункта доработки очесанного вороха (рис.6) была разработана его технологическая схема (рис. 11).

Рисунок 11 - Технологическая схема стационарного агрегата доработки очесанного вороха

1, 13 - бункера; 2, 3 - цилиндрические решета; 4, 5 - очистительные щетки; 9, 10, 14, 15 - скребковые транспортеры; 6 - вибролоток; 7 - эксцентрик; 8 - зерновой шнек; 17 - измельчитель грубый кормов; 19 - циклон; 16, 21, 25, 26 - ленточные транспортеры; 20 - шлюзовый затвор; 22 - смеситель; 23 - питатель; 24 - пресс; 27 - охладитель; 28, 29 - вентиляторы.

Для оценки эффективности функционирования отдельных звеньев уборочно-транспортного комплекса был проведен анализ математической модели уборочного процесса.

Решение системы линейных уравнений (3) позволило определить значение вероятностей состояний звеньев УТК в общем виде. Для нахождения численных значений вероятностей состояний был проведен компьютерный эксперимент для трех факторов. В качестве переменных факторов были выбраны: интенсивность заполнения уборочной машиной прицепной тележки, интенсивность доработки очесанного вороха и интенсивность перемещения трактора.

Оценка адекватности полученной модели проводилась согласно значений множественного коэффициента регрессии и дисперсии неадекватности. Согласно проведенных расчетов, множественный коэффициент регрессии находится в диапазоне 0, 9977…1, 000, а дисперсия неадекватности равняется нулю. Из приведенных данных следует, что полученная модель обладает достаточной точностью для описания изменения вероятностей нахождения машин уборочного комплекса в различных состояниях.

После раскодировки математическая модель приняла вид:

р₁ = 0, 118248 - 31, 2267?л_Д - 30, 16?л_Т + 8533, 33?л_Д?л_Т + 175, 975?л_УМ - - 30285, 7• л_Д?л_УМ - 6349, 21• л_Т?л_УМ;

р₂= 0, 0140236 - 1, 404444?л_Д + 0, 568889?л_Т - 711, 111?л_Д?л_Т + 55, 0889?л_УМ - 6857, 14• л_Д?л_УМ + 7936, 51• л_Т?л_УМ;

р₃= 0, 0644853 - 18, 3289?л_Д - 11, 1467?л_Т + 3377, 78?л_Д?л_Т + 104, 346?л_УМ - 29142, 9• л_Д?л_УМ + 7936, 51• л_Т?л_УМ;

р₄= 0, 0644689 + 5, 06667?л_Д - 20, 7378?л_Т - 2133, 33?л_Д?л_Т + 41, 2698?л_УМ + 14285, 7• л_Д?л_УМ -11111, 1• л_Т?л_УМ;

р₅= - 0, 00290133 +1, 40444?л_Д +2, 26667?л_Т - 888, 889?л_Д?л_Т + 16, 0603?л_УМ - 6285, 71• л_Д?л_УМ +7936, 51• л_Т?л_УМ; (8)

р₆= - 0, 0218262 +15, 1022?л_Д +13, 0044?л_Т -7644, 44?л_Д?л_Т +157, 397?л_УМ + 31428, 6• л_Д?л_УМ -65079, 4• л_Т?л_УМ;

р₇= 0, 730871 -35, 6444?л_Д -114, 462?л_Т + 21688, 9?л_Д?л_Т - 737, 733?л_УМ + 25142, 9• л_Д?л_УМ +138095• л_Т?л_УМ;

р₈= 0, 00466578 -1, 36?л_Д +0, 444444?л_Т + 44, 1841?л_УМ -12571, 4• л_Д?л_УМ + 3174, 6• л_Т?л_УМ;

р₉= 0, 0295476 -4, 01778?л_Д -8, 23111?л_Т + 1955, 56?л_Д?л_Т + 19, 4032?л_УМ + 15428, 6• л_Д?л_УМ +7936, 51• л_Т?л_УМ;

р₁₀= - 0, 00122844 -0, 186667?л_Д -0, 871111?л_Т + 533, 333?л_Д?л_Т + 21, 3365?л_УМ - 5142, 86• л_Д?л_УМ -1587, 3• л_Т?л_УМ;

р₁₁= - 0, 0164431 +6, 59556?л_Д +21, 0222?л_Т - 7111, 11?л_Д?л_Т +24, 5016?л_УМ - 12571, 4• л_Д?л_УМ +11111, 1• л_Т?л_УМ;

р₁₂= 0, 134399 +3, 08444?л_Д -42, 6222?л_Т - 888, 889?л_Д?л_Т + 87, 3778?л_УМ + 30857, 1• л_Д?л_УМ -12698, 4• л_Т?л_УМ;

р₁₃= - 0, 0309062 +14, 2578?л_Д +8, 124444?л_Т - 5155, 56?л_Д?л_Т +77, 946?л_УМ - 35428, 6• л_Д?л_УМ +22222, 2• л_Т?л_УМ;

р₁₄= - 0, 027972 +0, 728889?л_Д +11, 2?л_Т - 1777, 78?л_Д?л_Т +232, 857?л_УМ + 14285, 7• л_Д?л_УМ -85714, 3• л_Т?л_УМ;

р₁₅= - 0, 055648 +43, 2267?л_Д +168, 16?л_Т - 8533, 33?л_Д?л_Т - 324, 133?л_УМ + 4571, 43• л_Д?л_УМ -33333, 3• л_Т?л_УМ;

р₁₆= 0, 00122 +1, 15556?л_Д +1, 68?л_Т - 711, 111?л_Д?л_Т - 2, 58413?л_УМ + 3428, 57• л_Д?л_УМ +11111, 1• л_Т?л_УМ.

В качестве оценочного критерия функционирования УТК был принят коэффициент эффективности уборочных машин, транспортных средств и стационарного агрегата доработки вороха.

(9)

где - число работающих уборочных машин;

Т - число тракторов для транспортировки очесанного вороха;

Д - число агрегатов доработки очесанного вороха;

- соответствующие вероятности состояний.

Полученные математические модели (8), а также формулы (9) дают возможность найти выражение для определения коэффициента эффективности в зависимости от изменений интенсивности потоков, которые в общем случае зависят от производительности звеньев УТК.

При расчете принималось число тракторов для транспортировки очесанного вороха равным числу уборочных агрегатов, а также было принято, что в фермерском хозяйстве функционирует один стационарный агрегат доработки очесанного вороха.

Тогда с учетов формул (9), а также графа состояний и интенсивностей переходов уборочно-транспортного комплекса (рис. 7) коэффициенты эффективности уборочной машины, трактора для транспортировки очесанного вороха и стационарного агрегата доработки определяются из соотношений

_у.м. = р₁ + р₃ + р₄ + р₇ + р₈ + р₁₁ + р₁₂ + р₁₅

_g = р₁ + р₂ + р₃ + р₅ + р₈ + р₁₀ + р₁₂ + р₁₃ (10)

_т = р₁ + р₂ + р₄ + р₆ + р₈ + р₁₀ + р₁₂ + р₁₄.

Коэффициенты эффективности, переменные величины, так как они зависят от численных значений вероятностей состояний звеньев уборочно-транспортного комплекса, которые в свою очередь измеряются в зависимости от значений интенсивностей потоков.

Уравнения, характеризующие изменение коэффициента эффективности имеют вид:

з_УМ = 0, 62564 - 10, 20576?л_Д + 23, 36674• л_Т + 14934, 1?л_Д• л_Т;

з_Д = 0, 30179 - 14, 360615?л_Т + 242, 564• л_УМ + 28572, 3?л_Т• л_УМ; (11)

л_Т = 0, 25802 - 17, 76225?л_Д + 498, 01• л_УМ + 36000?л_Д• л_УМ.

Численные значения коэффициента эффективности в зависимости от значений интенсивности потоков приведены на диаграмме (рис.12).

Как видно из приведенной диаграммы (рис. 12) коэффициент эффективности уборочной машины изменяется в диапазоне 0, 746…0, 884, т.е. его значения незначительно зависят от производительности уборочной машины. Исходя из полученного результата уборочная машина практически полностью загружена. Ее простои обусловлены технологическими причинами (сменой заполненной тележки).

В свою очередь эффективность использования трактора напрямую зависит от плеча перевозок. При увеличении расстояний от поля до зернотока коэффициент эффективности трактора увеличивается и составляет 0, 512…0, 520, при минимальных расстояниях его значение находится в диапазоне 0, 18…0, 361. При расчетах принималось расстояние от поля до зернотока равным 2, 5…4, 0 км. Увеличение плеча перевозок очесанного вороха до 8 км может привести к простоям уборочного агрегата, из-за отсутствия пустой тележки. Поэтому наиболее целесообразно для фермерских хозяйств располагать зерноток на расстоянии 4, 0…5, 0 км от поля.

Численные значения коэффициента эффективности агрегата доработки очесанного вороха колеблются в широких пределах 0, 07…0, 401 и зависят от интенсивности. Невысокие значения коэффициента эффективности агрегата доработки играют в целом позитивную роль, так как при этом нет простоев уборочного агрегата в поле и доставляемые с поля порции очесанного вороха обрабатываются своевременно.

В четвертом разделе «Динамика уборочного агрегата» рассматривается динамика уборочного агрегата с использованием уравнений Лагранжа ІІ рода в обобщенных координатах. При этом, в качестве обобщенных координат были приняты:

- угол поворота трактора ₁ вокруг оси проходящей через его центр масс;

- угол поворота дышла уборочной машины ₂ вокруг его точки прицепа к трактору;

- угол поворота дышла тележки ₃ относительно точки прицепа к уборочной машине;

- угол поворота оси тележки ₄ относительно оси Y₁;

- смещение центра масс трактора Х_с1.

Дифференциальные уравнения уборочного агрегата имеют вид:



12

где a, b, n… - линейные размеры;

m_УМ, m_ТР, m_ПР - массы уборочной машины, трактора, прицепа;

I_S1, I_S2… - моменты инерции трактора относительно точки S₁ уборочной машины относительно точки S₂ и т.д.

- главный вектор сил упругости шин передних колес трактора, возникающий при их поперечном сдвиге, приложен в точке А;

- главный вектор сил упругости шин задних колес трактора, возникающий при их поперечном сдвиге, приложен в точке В;

- главный вектор сил упругости шин передних колес прицепа, приложен в точке N;

- главный вектор сил упругости шин задних колес прицепа, приложен в точке N;

- главный момент сил упругости шин передних колес трактора;

- главный момент сил упругости шин задних колес трактора;

- главный момент сил упругости шин передних колес прицепа;

- главный момент сил упругости шин задних колес прицепа;

- главный вектор сил сопротивления перекатыванию передних колес трактора, приложен в точке А;

- главный вектор сил сопротивления перекатыванию передних колес прицепа, приложен в точке N;

- главный вектор движущихся сил задних колес трактора, приложен в точке В;

- главный вектор сил сопротивления перекатыванию задних колес прицепа, приложен в точке К.

Правые части полученных уравнений включают в себя силу упругости шин колес, которые зависят от их деформации. Для определения деформации шин колес была использована следующая методика:

- из исходных уравнений движения получаем деформации Д_А, Д_В, Д_L, Д_N, Д_А и Д_К как функций (… и т.д.) и постоянных параметров машины;

- дифференцированием по времени этого выражения находим , , , и ;

- подставляем найденные значения Д_А, Д_В, Д_L, Д_N и Д_К, а также их производных , , , и в дифференциальные уравнения деформаций.

В результате была получена система дифференциальных уравнений движения агрегата.

где а₀, а₁, а₂, … - коэффициенты.



В пятом разделе «Механико-математические основы устойчивости движения уборочного агрегата» на основании анализа дифференциальных уравнений обосновываются рациональные режимы, обеспечивающие устойчивость движения агрегата.

При выполнении технологического процесса уборки агрегат совершает движение по траектории близкой к прямолинейной. Однако в процессе движения звенья агрегата начинают отклоняться от основного движения.

Нарушение прямолинейности движения приводит:

- к ухудшению качественных показателей рабочего процесса;

- потере скорости движения и производительности за счет удлинения фактически проходимого пути;

- увеличению расхода топлива на прохождение этого пути;

- увеличенному износу ходового аппарата механизма управления трактором.

Наиболее важной проблемой в данном случае является снижение качества технологического процесса, которое выражается повышенным уровнем потерь зерна неочесом. Чтобы обеспечить требуемое качество выполнения технологического процесса уборки необходимо добиться рабочего хода агрегата без искривления траектории.

Данная цель применительно к прицепным уборочным машинам может быть достигнута, если: обеспечивается устойчивое движение машины при заданной рабочей скорости (случайные отклонения от основного движения сведены к минимуму).

В связи с вышеизложенным возникает необходимость теоретического обоснования устойчивого движения уборочного агрегата.

Для анализа устойчивости движения агрегата было составлено характеристическое уравнение системы (13) при:

, , , , , (14)

где л - критерий вида движения.

После подстановки значений и их производных в уравнения (13) и соответствующих преобразований, получено характеристическое уравнение (15) в виде полинома 15 степени:

(15)

Для изучения устойчивости движения агрегата, а также выявления области допустимых значений факторов, влияющих на устойчивую работу уборочного агрегата, было рассмотрено движение трактора, уборочной машины и тележки-прицепа отдельно. В результате анализа было получено уравнение предельной скорости движения агрегата, при которой стабилизируются колебания звеньев агрегата в горизонтальной плоскости.

Для получения числовых оценок отклонений звеньев агрегата относительно неподвижной оси был проведен эксперимент в условиях его нормального функционирования.

В результате обработки первичной информации установлены оценки статистических характеристик амплитуд горизонтальных колебаний звеньев уборочного агрегата на рабочем и холостом ходу в зависимости от скорости движения (рис. 14, 15).



Анализ приведенных графиков показывает, что минимум средних значений и среднеквадратических отклонений амплитуд колебаний уборочного агрегата имеет место при скорости движения 1, 2…2, 0 м/с.

В шестом разделе «Обоснование технологии уборки незерновой части урожая после очеса растений на корню» - дается агробиологическое обоснование технологии уборки незерновой части урожая после очеса растений на корню, а также приводится общая технологическая схема уборки очесанной соломы.

В результате работы очесывающего устройства убирается зерновая часть урожая. После прохода уборочной машины на поле остается очесанная солома, составляющая незерновую часть урожая (НЧУ).

При разработке технологии уборки очесанной соломы была поставлена задача повышения плодородия почвы за счет возврата в нее части биологического урожая.

С целью исследования факторов, влияющих на разложение соломы, был заложен полевой эксперимент. В качестве критерия гумификации соломы был предложен коэффициент разложения

, (16)

где - масса соломы;

- масса остатков.

На первом этапе были выявлены основные факторы, влияющие на процесс разложения соломы в почве. Таковыми являются - длина резки соломы, доза внесения азота, доза внесения фосфора.

Графики зависимости коэффициента разложения соломы разной длины от основных факторов приведены на рис. 16 и 17.



Для математического описания процесса гумификации соломы было использовано уравнение регрессии вида:

(17)

где - длина резки соломы, , м;

- доза внесения азота, , кг/т;

- доза внесения фосфора, , кг/т.

Планирование эксперимента выполнялось на трех уровнях. Опыты закладывались в пятикратной повторности. После расчета коэффициентов регрессии была получена математическая модель процесса разложения соломы в почве:

(18)

Проверка адекватности модели выполнялась по F- критерию. В результате расчета получено, что Fj>Fp - т.е. модель адекватна.

Для определения рациональных значений факторов, влияющих на процесс разложения соломы в почве, было проведено каноническое преобразование модели (14):

.(19)

В результате канонического преобразования были получены рациональные значения оптимизируемых параметров.

При измельчении соломы до длины 10...20 см, а также внесении 12... 12, 7 кг азота и 2, 5...3, 5 кг фосфора на 1 т соломы можно добиться полного разложения соломы.

Данные исследования явились основанием для разработки технологии уборки незерновой части урожая (рис. 18).



В седьмом разделе «Оценка эффективности стационарной технологии уборки зерновых культур» предлагается оценивать эффективность предлагаемой технологии уборки по энергетическим показателям.

С этой целью была проведена сравнительная оценка энергозатратна уборку урожая зерновых культур по существующей комбайновой и разработанной стационарной технологии с применением очеса растений на корню (табл. 5).

Таблица 5. Сравнительные данные энергозатрат комбайновой и стационарной технологий

Наименование показателей	Единица измерения	Комбайновая технология	Стационарная технология с применением очесывающих устройств
Прямые затраты энергии при работе	МДЖ/га МДЖ/кг	Зерноуборочного комбайна 627, 7 0, 21	Трактора 325, 46 0, 108
Энергозатраты живого труда при работе	МДЖ/га МДЖ/кг	Комбайна 71, 73 0, 024	Трактора 33, 6 0, 011
Энергоемкость	МДЖ/га МДЖ/кг	Комбайна 769 0, 25	Трактора 39, 03 0, 013
	МДЖ/га МДЖ/кг	Комбайна 7, 69 0, 25	Уборочной машины 60, 46 0, 02
	МДЖ/га МДЖ/кг	- -	Прицепа 2ПТС-40 149, 36 0, 02
Прямые энергозатраты на перевозку зерна с поля на зерноток	МДЖ/га МДЖ/кг	Автомобиля 152, 77 0, 051	Трактора 204 0, 068
Энергоемкость	МДЖ/га МДЖ/кг	Автомобиля 24, 88 0, 0083	Трактора 38, 95 0, 013
	МДЖ/га МДЖ/кг	- -	Прицепа 2ПТС-40 149, 36 0, 02
Энергозатраты живого труда при перевозке зерна	МДЖ/га МДЖ/кг	Водителя автомобиля 30, 0 0, 01	Тракториста 33, 6 0, 011
Расчет энергозатрат на доработку очесанного вороха
Прямые энергозатраты на сепарацию очесанного вороха	МДЖ/га МДЖ/кг	- -	6, 0 0, 002
Прямые энергозатраты на домолот оборванных колосьев	МДЖ/га МДЖ/кг	- -	27, 0 0, 009
Прямые энергозатраты на работу транспортирующих механизмов	МДЖ/га МДЖ/кг	- -	9, 0 0, 003
Энергоемкость агрегата доработки вороха	МДЖ/га МДЖ/кг	- -	75, 0 0, 006
Энергозатраты живого труда при доработке вороха	МДЖ/га МДЖ/кг	- -	Операторов 13, 02 0, 004
Энергозатраты на уборку соломы
Прямые энергозатраты на измельчение соломы	МДЖ/га МДЖ/кг	Комбайна 146, 46 0, 024	- -
Прямые энергозатраы на транспортировку соломы	МДЖ/га МДЖ/кг	512 0, 085	8, 65 0, 011
Энергоемкость трактора для транспортировки соломы	МДЖ/га МДЖ/кг	41, 6 0, 007	- -
Энергоемкость прицепа-тележки для перевозки соломы	МДЖ/га МДЖ/кг	298, 72 0, 004	- -
Энергозатраты живого труда при перевозке соломы	МДЖ/га МДЖ/кг	35, 86 0, 005	- -
Энергоемкость трактора при скирдовании соломы	МДЖ/га МДЖ/кг	41, 6 0, 007	39, 03 0, 005
Энергоемкость погрузчика	МДЖ/га МДЖ/кг	7, 44 0, 007	6, 97 0, 009
Прямые затраты энергии на скирдование соломы	МДЖ/га МДЖ/кг	762 0, 127	99, 06 0, 127
Затраты живого труда при скирдовании соломы	МДЖ/га МДЖ/кг	183, 6 0, 03	13, 4 0, 0017
Полные энергозатраты на уборку зерновой и незерновой части урожая, транспортировку и скирдование соломы	МДЖ/га	3705, 6	1255, 95
Полные энергозатраты на уборку и транспортировку зерна	МДЖ/кг	0, 56	0, 31
Полные энергозатраты на уборку, транспортировку и скирдование соломы (для стационара учитывается солома, находящаяся в очесанном ворохе)	МДЖ/кг	0, 31	0, 203

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Анализ результатов исследований агробиологических свойств зерновых культур позволил установить, что средние значения влажности зерна колосовых культур колеблются в пределах 10, 9…16, 1 %, а метёлочных - 14, 8…18, 4%, при этом влажность стеблей превышает влажность зерна в 2…4 раза.

Экспериментальные исследования оценок статистических характеристик усилий отрыва соцветий от стебля и усилий теребления показали, что средние значения усилий теребления составляют у колосовых культур 57, 1 Н, а у метелочных 39, 7 Н, при этом усилия отрыва соцветия от стебля равны соответственно 28, 2 Н и 20, 7 Н. В этом случае, соцветие очесывается, а стебель остается в почве.

Анализ оценок статистических характеристик агробиологических и механико-технологических свойств злаковых культур, как метёлочных, так и колосовых, подтверждает, что при их уборке вместо скашивания и обмолота хлебной массы можно применять очёс зерновой части на корню, при котором из соцветия выделяется сухое зерно без его смешивания с влажной стебельной массой, с последующим измельчением и внесением в почву очёсанной соломы для повышения плодородия почв.

Выполненные в данном исследовании методологические разработки в области совершенствования технологии уборки зерновых культур позволили сформировать общую технологическую схему уборки зерновых, включающую в себя сбор очёсанного вороха в поле и его последующую доработку на стационаре. Результаты исследований технологических процессов уборочных агрегатов и условий их функционирования посредством структуризации функции управления позволили наметить пути их совершенствования, заключающиеся в формализованном описании состояний уборочно-транспортного комплекса (УТК) и установлении временных характеристик для оценки состояний элементов УТК с последующим определением параметров и режимов работы стационарного агрегата доработки очесанного вороха.