Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ результатов исследований по технологической настройке зерноуборочных комбайнов 6
1.1. Основные факторы, влияющие на качество работы и производительность зерноуборочных комбайнов . 6
1.2. Классификация устройств для технологического регулирования зерноуборочных комбайнов. 10
1.3. Анализ конструкций устройств для технологического регулирования, но полноте и достоверности их рекомендаций. 14
1.4. Регулирование зерноуборочных комбайнов с использованием микропроцессорных устройств 24
2. Методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных 36
2.1. Объект исследований 36
2.2. Подготовка к отбору отбор продуктов обмолота 36
2.3. Разбор отобранных проб 37
2.4. Методика первичной математической обработки, экспериментальных данных 39
3. Статистическое моделирование рабочего процесса зерноуборочных комбайнов 42
3.1 Выбор метода моделирования 42
3.2. Дескриптивный анализ результатов экспериментальных исследований 48
3.3 Одномерные зависимости показателей качества от параметров 59
3.4 Многомерные статистические модели рабочего процесса зерноуборочных комбайнов 74
3.5 Оптимизация технологических режимов работы зерноуборочных комбайнов 89
Выводы. 99
4. Электронный "советчик комбайнера" (ЭСК) 100
4.1. Описание электронного устройства "Советчик комбайнера" 100
4.2. Проверка качества прогноза ЭСК в полевых условиях 106
4.3. Результаты экспериментальной проверки ЭСК в полевых условиях 114
4.4. Экономическая эффективность применения ЭСК в хозяйственных условиях 122
Выводы 126
Общие выводы 127
Литература 129
Приложения 150
- Основные факторы, влияющие на качество работы и производительность зерноуборочных комбайнов
- Методика первичной математической обработки, экспериментальных данных
- Дескриптивный анализ результатов экспериментальных исследований
- Описание электронного устройства "Советчик комбайнера"
Введение к работе
Важнейшая задача развития сельскохозяйственного производства - увеличение производства зерна. Ежегодный сбор зерна в России достигает 70... 100 млн.т. при годовой потребности 120... 150 млн.т. Вместе с тем при уборке, перевозке, переработке и хранении зерна теряется до 20% урожая.
Наиболее трудоемким и ответственным этапом с точки зрения уменьшения потерь урожая является его уборка. При использовании зерноуборочных комбайнов важнейшим фактором, влияющим на снижение потерь зерна, является проблема оптимального регулирования рабочих органов комбайна применительно к конкретным условиям убираемого поля.
В паспортах современных зерноуборочных комбайнов потери зерна при уборке приводятся на уровне 2,0%. Эти возможности комбайнов достигарогся в номинальных условиях уборки, при хорошем техническом состоянии машин и, что самое главное, при высокой квалификации комбайнеров.
Обследованием (35, 37, 51-59, 60, 74 76) установлено, что правильно выполняется только около трети технологических регулировок. В результате в течение многих лет потери зерна за комбайнами в хозяйствах достигают 5... 15%.
Одна из самых сложных задач комбайнера - суметь подобрать :гакой режим работы, чтобы получить наивысшую дневную выработку при выполнении агротехнических требований по потерям, дроблению и чистоте зерна.
В настоящее время в нашей стране для определения регулировок комбайна используют (27,57, 63, 77, 88... 90, 97, 144, 150, 151, 168) различные настроечные "линейки" с нанесенными на них регулировочными параметрами. Настроечными линейками приближенно выбирают регулировки комбайна. Число операций контроля и дополнительной настройки зависит от квалификации комбайнера или аїронома. Но линейки не обеспечивают оптимизации регулировочных параметров комбайна и не прогнозируют показатели качества и производительности, которые будут обеспечены в результате принятых регулировок.
Кроме того, не удается охватить широкий диапазон изменчивости технологических свойств убираемых культур. . Известны (2, 4, 11, 12, 36, 40, 43, 70...72, 147, 159, 177) попытки создания детерминированной модели работы комбайна, но процессы обмолота и очистки зерна настолько сложны - нужно учесть влияние на эффективность работы комбайна более трехсот параметров, - что создать подобную модель на сегодняшний день не представилось возможным.
Вопросы оптимизации технологических регулировок имеют важную роль как необходимое условие сравнительной оценки комбайнов при их испытаниях.
В представленной диссертационной работе: обоснованы технологические режимы работы аксиально-роторных и барабанно-клавишных комбайнов; разработано электронное устройство, оптимизирующее технологические режимы работы зерноуборочных комбайнов в зависимости от условий уборки и заданных показателей качества их работы при максимальной производительности.
Основные факторы, влияющие на качество работы и производительность зерноуборочных комбайнов
Влажность соломы. Как и влажность зерна, влажность соломы оказывает влияние на сепарацию зерна. При низкой влажности растительной массы возрастает перебивание соломы, растет подача мелкого вороха на очистку, вследствие чего увеличиваются потери свободным зерном в полове. При высокой влажности соломы сепарация зерна и из грубого, и из мелкого вороха затрудняется, увеличивается залипаемость сепарирующих органов, что уменьшает площадь сепарации последних и как следствие приводит к увеличению потерь.
Засоренность хлебостоя отрицательно сказывается на качестве работы комбайнов. Причем разные виды сорняков по-разному воздействуют на сепари рующую способность рабочих органов молотилки комбайнов. При создании зерноуборочных комбайнов отрабатывают и обосновывают размеры рабочих органов, их кинематические и динамические характеристики, форму и размеры рабочих поверхностей и т.п. При эксплуатации зерноуборочных комбайнов для качественной уборки различных хлебов в разных условиях имеют важное значение технологические режимы работы комбайнов. Изучением влияния технологических режимов на показатели качества работы комбайнов занимались многие исследователи (3, 19,21 ...23,25,46, 64,65, 70, 73, 82,96, 120, 128... 130,153, 164, 165,170,178,180,183). Частота вращения молотильного барабана (ротора).Т1ри уменьшении частоты врашения барабана (ротора) снижаются повреждение зерна, энергоемкость рабочего процесса, степень перебивания соломы, но при этом увеличивается недомолот в соломе и полове, ухудшается сепарация зерна в молотильно-сснари рующем устройстве.
Молотильный зазор (зазор между барабаном (ротором) и декой). Расстояние между бичами и планками деки на входе и выходе - величины взаимосвязанные. Как правило, изменяя зазор на выходе, на ту же величину меняется и зазор на входе. Поэтому достаточно исследовать один параметр, например, молотильный зазор на выходе. При увеличении молотильного зазора на выходе: уменьшается повреждение зерна, увеличивается его недомолот, снижается энергоемкость процесса, уменьшается сепарация зерна из вороха в молотильно-сепарирующем пространстве. При уменьшении молотильного зазора на выходе все происходит наоборот.
Частота вращения вала вентилятора очистки. В комбайнах с ветро-решетной очисткой применяют радиальные, осевые и диаметральные вентиляторы. Увеличение частоты вращения лопастного колеса вентилятора увеличивает потери свободным зерном в полове, уменьшает массу сорной (легкой) примеси, поступающей в бункер комбайна, величину подачи массы в колосовой шнек и элеватор, что стабилизирует рабочий процесс комбайна. При этом потери "свободным зерном сначала уменьшаются по параболической зависимости: до определенного предела, а затем возрастают.
Величина открытия жалюзи верхнего решета .С увеличением открытия жалюзи верхнею решега: уменьшаются потери свободным зерном в полове, чистота бункерного зерна,увеличивается загрузка колосового шнека и элеватора, что приводит к забиваниям этих рабочих органов
Величина открытия жалюзи нижнего решета. 1ри большом открытии жалюзи нижнего решета: увеличивается засоренность бункерного вороха (уменьшается чистота зерна), возрастает масса колосков с невымолоченными зернами в бункере. При малом открытии жалюзи нижнего решега: увеличиваются загрузка колосового шнека и элеватора, циркуляция зерна в колосовом тракте, что приводит к росту повреждения и потерь зерна.
Величина открытия жалюзи удлинителя верхнего решета. Уменьшение открытия жалюзи удлинителя: увеличивает потери полноценного зерна в полове, повышает потери не обмолоченных колосков. С увеличением открытии жалюзи удлинителя: возрастают перегрузка колосового шнека и подача соломистой части вороха на решета.
Угол наклона удлинителя верхнего решета При небольшом угле наклона удлинителя повышаются потери не обмолоченными колосками и увеличиваются потери свободным зерном в полове.
Угол наклона нижнего решета. Уменьшение угла наклона нижнего решета повышает сход зерна в колосовой шнек при высокой чистоте зерна в бункере. С ростом угла наклона нижнего решета понижается чистота зерна в бункере.
Некоторые комбайны имеют и другие регулировки своих рабочих органов, снижающие потери, повреждение зерна, увеличивающие его чистоту.
Скорость движения комбайна - С увеличением скорости движения: растут производительность комбайна (подача хлебной массы в молотилку), потери недомолотом и свободным зерном в соломе и полове, уменьшаются повреждение зерна и перебивание соломы, повышается вероятность забивания рабочих органов хлебной массой.
Многие исследователи (2, 4, 64, 68, 128, 158, 164 и др.) учитывают влияние указанных факторов. В большинстве работ исследования проводили в лабораторных условиях и оценивали влияние отдельных факторов на показатели качества и производительности при неизменности значений остальных. Однако при работе комбайнов в реальных хозяйственных условиях все параметры растительной массы и параметры поля изменяются одновременно. К тому ут. часто не учитывают влияние взаимодействия нескольких параметров хлебной массы (как самостоятельных факторов) на те или иные показатели качества работы комбайнов. Во многих исследованиях не учитывают влияние взаимодействия технологических режимов работы на показатели качества и производительность работы комбайнов. Из отмеченного следует, что в большинстве работ нет закономерное гей взаимовлияния разных технологических режимов на показатели качества в разных направлениях, не в полной мере отражено взаимодействие многообразия свойств хлебной массы на режимы и показатели качества работы.
Методика первичной математической обработки, экспериментальных данных
Объектом исследований является процесс уборки зерновых культур зерноуборочными комбайнами. Для исследований взяты зерноуборочные комбайны: Дон-lSOO, как одна из последних моделей классической (барабанно-клавишной) схемы и СК-10 "Ротор" с принципиально новым аксиально-роторным молотильно-сепарирующим устройством.
Исследования проводили при лабораторно-полевых испытаниях зерноуборочных комбайнов по методике , изложенной в ОСТ 70.8.1-81 "Машины зерноуборочные. Программы и методы испытаний" (103) по специально разработанному плану.
Исследования проводили на основных в зоне ЦМИС зерновых колосовых культурах: озимой пшенице и ячмене. Для зоны лесостепи Украины подобные исследования параллельно с нами проводили сотрудники ВНИИМОЖа, в частности Коваль С Л.
Для отбора проб не ближе, чем в 50 м от края поля, выделяли прокосами участок посева. Длина участка (учетной делянки) была такой, чтоб на ней собиралось не менее 100 кг соломы и половы, но не менее 40 м. В процессе опытов длина делянки колебалась от 40 до 60 м. Ширина участка была такой, что был выполнен намеченный план эксперимента.
Перед отбором проб комбайны были оборудованы пробоотборниками для сбора соломы и половы раздельно, а также датчиками для измерения крутящего момента и частоты вращения барабана (ротора). Перед отбором проб комбайны настраивали в соответствии с разработанным планом эксперимента. При каждой настройке проводилась одна повторность. Окончательно установленные параметры режима и характеристики хлебной массы записывали в журнал. Во время каждой повториости опыта от комбайна отбирали следующие продукты обмолота для Характеристики убираемой культуры (параметры поля) определяли перед началом опыта и в зависимости от гас величин проводили тот опыт, которому они больше соответствовали по плану эксперимента. Возможные отклонения от заданных значений учитывали. Принципиальное требование о перекрытии всего диапазона того или иного параметра было соблюдено. Для отбора проб комбайн устанавливали за 3...4 м до начала учетной делянки, подключали тензометрическую лабораторию ЧЕК-2, включали молотилку, жатку, необходимую передачу, и комбайн проходил учетную делянку без остановок. В момент начала поступления растительной массы на жатку комбайна включали секундомер. Отсчет времени для определения энергетических показателей производили автоматически при помощи тензолаборатории ЧЕК-2. В конце учетной делянки комбайн останавливали,, выключали секундомер и промолачивали массу в течение 30 с. После остановки молотилки отключали тензолабораторию ЧЕК-2, собирали в пробоотборник остатки половы с лотка половонабивателя, снимали пробоотборник и выгружали зерно из бункера. При выгрузке зерна отбирали в 5 - 6 приемов средний образец массой 2 - 2,5 кг для анализа, в бюксы отбирали пробы зерна, соломы и половы для анализа на влажность. Солому, полову и зерно собирали с учетной делянки, взвешивали с помощью крана и динамометра с точностью до 1 кг и снабжали этикетками.
Для выделения потерь зерна солому и полову обрабатывали (отдельно) на лабораторных молотилках, разработанных и изготовленных на ЦМИС для проведения государственных испытаний зерноуборочных комбайнов. При этом солому (полову) подавали равномерно с подачей, не превышающей 1 кг/с. Выделенное свободное зерно и зерно из невымолоченных колосков помещали в сумочки и снабжали этикетками. Затем зерновую смесь (потери) разделяли и взвешивали с точностью до 1 г. Результаты заносили в те же этикетки. Перед началом обработки проб тарировали лабораторную молотилку. С этой целью при обработке трех проб, отобранных на среднем режиме загрузки одного из комбайнов, собирали после первой обработки всю соломистую массу (солому и полову) и обрабатывали повторно. Зерно, выделенное при повторном обмолоте, очищали и взвешивали с точностью до 0,1 г. Коэффициент тарировки лабораторной молотилки в относительных единицах вычисляли по формуле: где q - масса потерь при первом обмолоте пробы на лабораторной молотилке; qr масса потерь при повторном обмолоте пробы на лабораторной молотилке. При анализе зерна из среднего образца выделяли в соответствии с ГОСТ 10839 две навески массой 50 г (согласно ГОСТ 10939). Навески разбирали на следующие фракции: основное зерно, зерно в колосках и пленках, дробленное зерно, сорная примесь. Все фракции взвешивали и вычисляли их процентное содержание с точностью до сотой доли процента по формуле: где Пк - показатель качества разбора навески на фракции; ЦІ - масса і ой фракции в навеске; Q - масса навески. По каждому показателю качества зерна вычисляли среднее значение из двух навесок. Потери распылом определяли только по пшенице из расчета 10% от каждого процента дробленного зерна, полученного при анализе зерна из бункера, и относили их к суммарным потерям за молотилкой комбайна. Показатели энергетики зерноуборочных комбайнов определяли методом тензометрирования. Методика проведения измерений и обработки экспериментальных данных изложена в РД 10.2.2-90 "Испытания сельскохозяйственной техники. Методы энергетической оценки". При этом измеряли следующие величины: крутящий момент на валу двигателя, барабана, ведущих полуосях; частоту вращения вала двигателя, барабана и ведущих полуосей; путь, пройденный за опыт; продолжительность опыта. Энергетические показатели определяли одновременно с определением агротехнических показателей на установившемся режиме работы комбайна, поэтому продолжительность опыта при оценке энергопоказателей была несколько меньше, чем при оценке агропоказателей.
Дескриптивный анализ результатов экспериментальных исследований
Влажность зерна и соломы взаимосвязанные свойства убираемой массы и их влияние (табл. 3.2) на потери зерна оказалось аналогичным. Более значи-тельное влияние оказала влажность соломы, особенно у комбайна Дон 1500 (рис. 3.10). Это объясняется тем. что у.Дон 1500 более значимы потери в соломе и соответственно при увеличении влажности соломы, особенно свыше 30%, условия сепарации зерна ухудшаются и потери возрастают. Влияние влажности зерна у обоих комбайнов практически одинаково.
Влияние подачи растительной массы в МСУ у сравниваемых комбайнов различно. У Дон 1500 оно значительно (рис 3.12). При увеличении подачи с 1,5 до 12,5 кг/с потери зерна выросли в 9 раз от 0,6 до 5,4 %. У СК-10 при таком же изменении подачи растительной массы в МСУ потери зерна за молотилкой изменились в меньшей степени и остались на уровне 0,75...2,50%Это еще раз доказывает, что аксиально-роторное МСУ имеет очень "пологую характеристику".
Влияние частоты вращения барабана (ротора) на потери зерна за молотилкой у обоих комбайнов незначительно. Если у Дон 1500 при увеличении частоты вращения барабана от 620 до 890 мин"1 происходило некоторое снижение потерь зерна, то у СК-10 "Ротор" при том же изменении частоты вращения ротора потери зерна за молотилкой находились практически на одном уровне.
Молотильный зазор на выходе (рис. 3.11) наиболее значимо влияет у Дон 1500. При увеличении зазора с 2 мм до 16 мм потери зерна выросли в 3,2 раза (с 1,46 до 4,80 %). У СК-10 "Ротор" при увеличении молотильного зазора на выходе с 5до 40 мм потери зерна выросли только в 2 раза (с 1,02 до 2,10%). Это говорит о том, что у Дон 1500 надо более тщательно контролировать зіу регулировку с целью недопущения повышенных потерь зерна. У СК-10 "Ротор" возможные в условиях реальной эксплуатации комбайнов изменения молотильного зазора не вызовут резкого увеличения потерь зерна, т.е. СК-10 по этому показателю более приспособлен к изменяющимся условиям работы.
Зависимоспш дробления зерна от параметров регулирования. Уровень дробления зерна у комбайна СК-10 "Ротор" ниже, чем у Дон 1500. Это объясняется особенностями работы аксиально-роторного МСУ и показано многими исследователями (f/З...Щ. В наших опытах дробление зерна находилось на уровне: Дон 1500-1,5%, СК-10 "Ротор" -0,6...0,8%.
Влияние урожайности зерна и соломистости (табл. 3.3) на дробление зерна незначительно у обоих комбайнов.
Наибольшее влияние на дробление зерна оказывает влажность зерна, причем у Дон 1500 более существенно, чем у СК-10 "Ротор" (рис. 3.13). При увеличении влажности зерна с 10,8 до 33,2% дробление зерна снизилось у Дон 1500 С 2,24 до 0,47%, а у СК-10 "Ротор" с 1,14 до 0,45% при увеличении влажности зерна с 10,8 до 25,5%. То есть на "малых" влажностях зерна (до 20%) уровень дробления зерна у сравниваемых комбайнов различается существенно, а при увеличении влажности зерна свыше 20,0 % дробление зерна у обоих комбайнов находится на одном уровне.
Влажность соломы также как и урожайность зерна и соломистость не оказывает существенного влияния на дробление зерна (табл. 3.3).
Из технологических регулировок молотилок комбайнов на дробление зерна наибольшее влияние оказывает частота вращения барабана (ротора), (табл. 6.3, рис. 3.14). При увеличении частоты вращенияШарабана Дон 1500 с 640 до 900 мин"1 дробление зерна повысилось от 0,84 до 1,50%, а у СК-10 "Ротор" при возрастании частоты вращения ротора с 540 до 970 мин1 дробление зерна составило 0,22... 1,25%. Влияние молотильного зазора на выходе оказалось незначительным у обоих комбайнов. Причем пределы изменения зазора составили у СК-10 "Ротор" 6...25 мм, а у Дон 1500 2...17 мм. Сорная примесь. Наибольшее влияние на массу сорной примеси в бункерном ворохе из характеристик поля оказали соломистость (рис.3.16) и влажность соломы.
Описание электронного устройства "Советчик комбайнера"
Электронный "Советчик комбайнера" (ЭСК) персональный прибор индивидуального пользования предназначен для определения оптимальных технологических режимов работы зерноуборочных комбайнов при известных параметрах поля, задаваемых как точнсцтак и диапазонами.
ЭСК реализован также в виде машинной программы и может быть использован на любом персональном компьютере, имеющемся у пользователя.
ЭСК прогнозирует показатели качества работы по заданным технологическим регулировкам, выбирает рациональный режим работы в сложных ло иях, обосновывает оптимальный состав и число комбайнов в сложившихся условиях работы, повышает квалификацию пользователя, указывает на неисправности основных узлов комбайнов и т. д.. 4. Микропроцессорное устройство и математическое обеспечение ЭСК могут быть основой бортового компьютера для автоматического управления технологическим процессом зерноуборочного комбайна. Для этого ЭСК имеет универсальный разъем (порт), обеспечжшющий подсоединение к нему электронных приборов, датчиков, источников питания. 5. "Советчик комбайнера" обеспечивает высокую достоверность прогнозирования показателей качества уборки: разница фактических и прогнозируемых потерь, дробления зерна, сорной примеси на уборке оз.пшеницы молотилкой комбайна Дон 1500 несущественна и находится в пределах ошибки опыта. 6. Применение ЭСК позволяет повысить на 9% пропускную способность комбайна Дон 1500 при сохранении показателей качества уборки на одном уровне. 7. Получен годовой экономический эффект, превышающий в 1.5...2.5 раза стоимость "Советчика" от использования его только с одним из комбайнов. 8. Комбайнеры и специалисты легко привыкают к использованию ЭСК. Более того, соревнуясь с "Советчиком" они более тщательно анализируют саои действия по оптимизации режимов комбайна. 1. Реальные потери зерна в хозяйственных условиях при уборке урожая зерноуборочными комбайнами достигают 15% и более. 2. В настоящее время для настройки рабочих органов зерноуборочных комбайнов используют рекомендации заводов-изготовителей в виде таблиц, номограмм, специальных линеек. Все они дают приближенное значение (интервал) той или иной регулировки и требуют дополнительного регулирования. Правильно выполняется только около 1/3 технологических регулировок. Поэтому оптимальное технологическое регулирование зерноуборочных комбайнов - важнейший источник сокращения потерь зерна при его уборке. 3. Создать математическую детерминированную модель работы зерноуборочного комбайна в настоящее время не представилось возможным, т.к. рабочий процесс зерноуборочного комбайна очень сложен, на него влияют большое число факторов, учесть все очень трудно. г: 4. База разработанного способа регулирования параметров зерноуборочного комбайна - многомерные статистические модели, связывающие показатели качества уборки, технологические режимы и параметры поля. 5. Электронный "Советчик комбайнера" выдает конкретные рекомендации по оптимальным технологическим регулировкам молотилки и скорости движения зерноуборочных комбайнов различных классов и типов на основе как точного, так и приближенного задания параметров поля. 6. Электронный "Советчик комбайнера" прогнозирует показатели качества работы зерноуборочных комбайнов при заданных пользователем регулировках, обосновывает марку комбайна, обеспечивающего наибольшую производительность при наименьших потерях зерна в заданных условиях уборки. Он применим в качестве обучающей системы (тренажера) для повышения квалификации комбайнеров и других специалистов. 7. Микропроцессорное устройство и математическое обеспечение ЭСК предпочтительны в качестве основных элементов бортового компьютера зерноуборочного комбайна, при автоматизации управления его рабочим процессом. 8. Разработанная методика обоснования статистических моделей предлагается для использования при проектировании конструкций рабочих органов сельскохозяйственных машин. 9. Производительность работы в хозяйственных условиях зерноуборочных комбайнов Дон 1500 и ОС-10, технологические регулировки которых выполняли по рекомендациям, выданным ЭСК, увеличилась на 6.1... 122% при снижении потерь зерна на 10.0...27.1%. 10. Годовой экономический эффект (в ценах до 1990г.) для комбайна Дон 1500 получен в сумме 1264.2 руб. при снижении затрат труда на 7.6 %; для комбайна СК 10 "Ротор" в сумме 746.6 руб. при снижении затрат труда на 4.6%
