Раздел 1 анализ конструкций и особенностей условий роботы очесывающих устройств зерновых комбайнов
1.1. Тенденция развития технологий уборки зерновых культур
Производство зерновых культур характеризуется различными способами их возделывания и уборки. Причем уборка хлебов была и остается наиболее напряженным периодом не только для сельского хозяйства, но и для перерабатывающих сельскохозяйственное сырье отраслей. Поэтому технологии и средства уборки зерновых культур постоянно совершенствуются. Особый импульс этому процессу придала необходимость интенсификации зернового хозяйства. Практически единственным путем дальнейшего роста производства зерна является повышение культуры земледелия. Конечная ее цель – рост урожайности, снижение потерь при уборке, сохранение высокого качества зерна, сокращение сроков уборки. Все эти факторы зависят от принятой технологии уборки [94]. Вопросам уборки зерновых культур и способам ее осуществления посвящено множество работ [2-5, 25, 31, 32, 34, 35, 37, 40, 45, 49, 52, 56, 57, 59, 60-64, 91, 92, 94-97, 122]. Создание и использование новой высокопроизводительной и комфортабельной сельскохозяйственной техники впрямую ведет к повышению производительности труда, более полной загрузки техники, сокращению металлоемкости и улучшению основных экономических показателей.
Все машинные технологии уборки зерновых можно разделить на комбайновые и некомбайновые (рис. 1.1) [71].
В комбайновых технологиях в качестве основного полевого агрегата используется зерноуборочный комбайн, потоки зерна и незерновой части при этом разделены.
С развитием материально-технической базы сельского хозяйства в уборочных технологиях широкое распространение получает комбайновая уборка зерновых. Комбайны – сложные агрегаты, сочетающие в себе одновременно функции жатки, молотилки и копнителя. Использование прямого комбайнирования сокращает сроки уборки, снижает затраты ручного труда, повышает производительность. С другой стороны сложность и несовершенство конструкции комбайнов, низкое качество технологической сборки, применение необходимой, но ненадежной электроники привело к повышенному проценту потерь и дробления зерна, снижению рабочих скоростей. Прямое комбайнирование эффективно при влажности хлебной массы не более 20%, в районах, где наблюдаются неблагоприятные условия (туман, дождь, сильная роса) сроки уборки затягиваются, потери растут [122]. Недостатком данной технологии является зависимость от погодных условий, сложность использования во влажных климатических зонах и на полях с низкой соломистостью, а также повышенные потери зерна и низкое качество уборки незерновой части урожая [93].
Рис. 1.1. Классификация уборочных технологий.
Комбайны в настоящее время основные машины, убирающие зерновые, зернобобовые и крупяные культуры, рис, кукурузу на зерно, подсолнечник, семенники трав и ряд других технических и овощных культур. Специальные приспособления для комбайнов позволяют увеличить число убираемых культур до 50 видов. Достоинством прямого комбайнирования является то, что зерно собирается в результате прохода одной машины, это положительно сказывается на структуре убираемого поля. Недостаток – нередко повышенная засоренность и влажность зернового вороха, низкая производительность на засоренной хлебной массе [94].
В основных зернопроизводящих регионах Украины оптимальным вариантом уборки является сочетание прямого комбайнирования и раздельной уборки [55]. К достоинствам раздельной уборки следует отнести возможность получения сухого зерна, высокая чистота зернового вороха уменьшает затраты на послеуборочную обработку. Раздельная технология позволяет проводить уборку на засоренных полях склонных к полеганию и осыпанию, а также на неравномерно созревающих зерновых культурах.
Наиболее слабым звеном в традиционных технологиях является зерноуборочный комбайн, хотя на смену малопроизводительным прицепным машинам 50...60 годов пришли самоходные СК-5, СК-6, пропускная способность которых при влажности зерна 10...15% составляет 5...6 кг/с. В последние годы “Ростсельмаш” выпускает высокопроизводительные комбайны ДОН-1200, ДОН-1500 с пропускной способностью соответственно 6...7, 8...9 кг/с. Для уборки незерновой части урожая комбайны оборудуются копнителем или измельчителем соломы, комплектация зависит от используемой в хозяйстве технологии. Солома – это ценный корм для животноводческого комплекса. Оставить в поле как можно меньше соломы - одна из важных задач любой технологии. Исследования показали, что после прохода зерноуборочного комбайна на поле остается до 3% соломы [94].
В некомбайновых технологиях зерно и солома в виде цельной или измельченной хлебной массы убираются с поля одновременно и обрабатываются в едином потоке на стационаре. Некомбайновые технологии можно разделить на стационарные, полустационарные и стационарные передвижные. Полевые машины здесь работают на иных принципах, чем комбайны, выполняя более простые операции по сбору урожая [95].
Не касаясь конструктивных подробностей, рассмотрим новые технологии, их преимущества и недостатки.
Одна из первых стационарных технологий – трехфазная. В начале 60-х годов проходило ее испытание. Уборочный процесс состоял из следующих операций: скашивание в валки, подбор валков с измельчением, вывоз хлебной массы на стационарный пункт, обработка урожая с выделением зерна и соломы, очистка зерна. Достоинства: высокое качество зерна, возможность использования электроэнергии, следовательно, экономия дизельного топлива. Основные недостатки технологии в слабом материально-техническом обеспечении: низкопроизводительные машины, отсутствие надежных транспортеров, трудности с перевозкой всего биологического урожая [70].
В самый ранний период развития преимущества и эффективность стационарных технологий подтверждались исследованиями ученых. Производительность увеличивалась на 20%, повышалась урожайность на 0,1...0,2 т/га, уменьшались затраты труда [70].
Кубанская технология принципиально не отличалась от трехфазной. Использование специальной полевой машины позволяет избежать операции скашивание в валок и подбор валков, т.е. исключается один из источников потерь. Две технологические операции объединяются в одну. При прохождении измельченной хлебной массы по сушильно-сепарирующей линии выделяется исключительно цельное, нетравмированное зерно с высокими посевными и технологическими качествами. В дальнейшем масса проходит домолот на высокопроизводительном агрегате состоящем из комбайна СК-6 или СК-10. Незерновая часть (солома и полова) транспортируется и складируется. При расстоянии перевозки свыше 5 км целесообразно использовать полустационарные пункты обработки массы. Очистительное оборудование пункта рассчитано на уборку за сутки 35...40 га урожайностью до 10 т хлебной массы [50, 51].
ВИМ в содружестве с рядом научно-исследовательских и конструкторских организаций разработал индустриально-поточные технологии – “невейка” и “ленточная”. В технологиях использован принципиально новый пневмоинерционный способ сепарации зернового вороха. Производительность сепаратора с засоренностью зерновой массы до 30 % составила 72 т/ч, а чистота зерна 98,5...99,0%. “Ленточная” технология в отличии от “невейки” предусматривает укладку скошенной в валок зерновой массы на полиэтиленовую ленту, тем самым исключаются потери на поверхность поля. Затем специальная прицепная молотилка подтягивает ленту с уложенной массой и обмолачивает последнюю. В данной технологии исключен элемент перевозки всей биологической массы, что ведет к снижению затрат на 1 га по сравнению с “невейкой”. Недостаток технологии в слабой надежности цепочки: лента-валок-молотилка [32, 42, 44, 72].
Стоговая технология уборки состоит в том, что скошенная или подобранная из валков масса собирается в кузов жатки-стогообразователя, вывозится на край поля и выгружается в виде завершенных стогов. При сборе хлебной массы в кузов происходит ее уплотнение. Это повышает сопротивляемость стогов ветровой эрозии и осадкам. В таком состоянии стога могут находиться довольно длительное время. Затем стога обмолачивают мобильной молотилкой, солома и полова собираются совместно или раздельно. Обмолот проводят не в спешном порядке за 10 дней, а за 30...50 суток. Сокращается число молотилок, ослабляется транспортная напряженность, уменьшается потребность в механизаторских кадрах. Недостатки: сложность дозировки хлебной массы из стогов, незначительное сокращение погрузочно-разгрузочных работ, потери зерна под стог, низкое качество зерна при длительном вымокании стогов [70, 91].
Для зон повышенной и избыточной влажности разработана (ВИМ, ЛатвНИИМЭСХ, СибИМЭ, ВИЭСХ, ЦНИИМЭСХ) технология уборки “гигрокомплекс”. Хлебная масса в таких зонах характеризуется высокой влажностью зерна и незерновой части (25...35%), полеглостью и засоренностью хлебостоя, высокой соломистостью и неравномерным созреванием, трудными условиями передвижения по полям и дорогам. Применение комбайновой технологии ведет к снижению производительности труда и большим до 10% потерям [70]. Чтобы избежать потери и сохранить качество зерна и незерновой части при любых погодных условиях, в схему уборочной технологии включают сушку. Новые технологии для таких условий разработали специалисты Латвийской СХА. Уборку проводят в следующей последовательности. Хлебную массу скашивают с одновременным измельчением, загружают в транспортное средство и перевозят на стационар, где проводят вначале сушку, а затем обмолот. В качестве полевой машины используют Е-281 и КСК-100 настроенные на максимальную длину резки 120...150 мм. Использование технологии позволяет сократить потери зерна и соломы в средних условиях с 9 до 4%, а в тяжелых условиях с 17 до 5%. Проверка технологии показала, что полевая машина вымолачивает 60...90% зерна, перед обмолотом эту массу необходимо отсепарировать так как в молотилке зерноуборочного комбайна зерно получит повреждения. Испытания позволили сделать вывод о неэффективности зерноуборочных комбайнов в стационарных технологиях. Вторая схема стационарного пункта предусматривает сушку всего урожая до обмолота. Измельченная масса загружается слоем 1,5...2 м в напольные сушилки, после 2...3 дней активного вентилирования атмосферным или теплым воздухом проводят обмолот по первой схеме. Напольные сушилки находятся в крытых помещениях. Использование теплогенераторов, вентиляторов и воздуховодов накладывает на технологию дополнительные капиталовложения, что несколько удорожает себестоимость получаемой продукции [51, 70, 95].
В основу технологии СибИМЭ положены исследования по дозреванию урожая в стогах и скирдах, сформированных в фазе восковой спелости. Полевой агрегат скашивает хлебную массу и загружает воздушным потоком в тележку. Хлебную массу на стационаре формируют в скирды (2,59,09,0 м) с вентиляционным каналом. Просушивают и обмолачивают комбайнами. Недостаток технологии в большом количестве погрузочно-разгрузочных работ, а это дополнительные потери зерна, повышенный расход топлива [59, 70].
По пути совершенствования технологии уборки зерновых в условиях повышенной влажности работают ученые и практики в странах Западной Европы.
Так, например, в Англии, где климатические условия не позволяют выращивать высококачественное зерно, фуражное зерно получают путем обмолота с предварительным измельчением хлебной массы. Еще в начале 50-х годов инженеры по сельскохозяйственной технике из университета в Дурхеме применили одну из разновидностей силосоуборочного комбайна, дальнейшее совершенствование которого привело к созданию специальных полевых машин.
В ряде НИИ Украины, а также ближнего и дальнего зарубежья находит применение технология уборки зерновых культур методом обмолота растений на корню. Как показывают поисковые исследования, данная технология может осуществляться различными способами:
1. С использованием серийного зерноуборочного комбайна (Приложение А, рис. А.1).
2. С использованием в качестве энергетического средства КПС-5Г или других энергетических средств таких как “Морал”, МПУ-150, с последующим домолотом и зерноочисткой на стационаре (Приложение А, рис. А.2, А.3).
3. С использованием прицепного комбайна (Приложение А, рис. А.4), энергетическим средством для которых предусмотрен трактор.
4. В перспективе создание принципиально нового зерноуборочного комбайна, специально для работы с навесными очесывающими устройствами.
Альтернативным направлением существенного уменьшения напряженности при уборке зерновых культур, уменьшения затрат и потребности в технике является повышение в 1,5-2 раза пропускной способности комбайна путем оснащения их жатками очесывающего типа. Способ уборки зерновых, семенников трав, риса и других культур с использованием очесывающих жаток (в отличии от традиционных, когда срезается и подается в молотилку комбайна вся хлебная масса с сорными растениями) заключается в обмолоте (очесывании) колосьев или соцветий без срезания стеблей. При этом собираются наиболее ценные составляющие урожая – зерно и полова, обеспечивается значительное уменьшение поступления массы в комбайн, что дает возможность почти в двое увеличить его производительность, уменьшить потери и повреждение зерна, а так же почти на половину снизить затраты топлива, избежать поломок и преждевременного старения комбайнов.
Проведенные в УкрЦИТ многолетние испытания очесывающих жаток [82, 94, 127] свидетельствуют, что при оборудовании комбайна СК-5 “Нива” очесывающей жаткой, его производительность возрастает вдвое и составляет 12-14 т/час, при допустимых потерях зерна до 1,5%, т.е. равняется производительности комбайна “ДОН-1500”. При этом значительно (на 50-60%) снижаются затраты топлива, комбайн работает с меньшей нагрузкой и практически без поломок. Такая технология уборки хлебов все больше находит применение в Канаде, США, Англии, Франции, Китае, Австралии и других странах. Для этого применяются отработанные и высокоэффективные конструкции очесывающих жаток фирмы “Шельборн Рейнольдс” (Англия). В 1990 году в Англии комбайн “Командор 228” фирмы “Клаас” с такой очесывающей жаткой установил мировой рекорд по продуктивности, намолотив за день 358 тонн зерна с площади 44,5 га. При этом его производительность с минимальными потерями (до 1%) и высоким качеством обмолота составила 44,8 т/час или 5,6 га/час, средняя скорость комбайна 9 км/час [55].
В 1998 году 6-метровая жатка этой фирмы прошла испытания в Украине при уборке озимой пшеницы, ячменя и риса. Комбайн ТС-57 фирмы “Нью-Холланд” (аналог комбайна СК-5 “Нива”) на уборке ячменя обеспечил производительность 16,7 т/час или 5,1 га/час, тогда как обычной жаткой – 5,6 т/час (1,7 га/час). На уборке озимой пшеницы производительность такого комбайна с очесывающей жаткой почти втрое выше в сравнении с обычной и составила 21,7 т/час.
При уборке риса в Херсонской области отечественный комбайн “Лан”, оборудованный очесывающей жаткой “Шельборн Рейнольдс”, убирал рис за один проход, а с обыкновенной осуществлял двойной обмолот после скашивания в валок. Производительность комбайна “Лан” с очесывающим устройством составила 9,8 т/час, потери до 2%, а дробление до 3% [94], что удовлетворяет агротребованиям и значительно выше в сравнении с традиционною технологией уборки.
Одним из важных преимуществ технологии в том, что уборка урожая с высокой производительностью возможна при высокой влажности соломы, засоренностью и полеглостью растений. Это дает возможность не только увеличить производительность, но и увеличить период работы комбайна на протяжении дня, в утренние и вечерние часы.
В результате обзора технологий уборки зерновых культур, проанализировав преимущества и недостатки которых, можно определить два наиболее приемлемых способа. Первый способ – это прямое комбайнирование, являющийся в настоящее время самым используемым не только на Украине, но и в мире. Второй наиболее перспективный – это обмолот растений на корню. Как видно из обзора технологий обмолот растений на корню имеет ряд серьезных преимуществ, при уборке различных зерновых культур. При уборке риса обмолот растений осуществляется за один проход. При уборке трав значительно уменьшаются потери осыпью в результате создания воздушного потока очесывающими рабочими органами. При уборке способом обмолота растений на корню имеет место мягкий режим обмолота, позволяющий обеспечить наличие семенного не травмированного материала. Как показали исследования данного способа уборки зерновых культур, очесывающие устройства, навешиваемые на серийные зерноуборочные комбайны, также позволяют обеспечить полный сбор урожая, увеличить качество уборки при увеличении рабочих скоростей, сокращении сроков уборки и снижении затрат топлива на единицу продукции. Все это прямым или косвенным образом положительно сказывается на экологии в сравнении с существующими способами уборки.
Анализ технологий уборки зерновых культур показывает, что очесывающее устройство и серийный зерноуборочный комбайн является эффективным сочетанием для реализации технологии очеса растений зерновых культур на корню.