автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Оптимизация типоразмерного ряда валковых жаток и хедеров для комбайновых технологий уборки зерновых колосовых культур

Диссертация Бабич Светланы Яковлевны защищена на заседании диссертационного совета К 064.88.01 в Ростовской-на-Дону государственной академии сельскохозяйственного машиностроения (РГАСХМ) 2 июля 1999 г., протокол № 7.

Ученый секретарь диссертационного

СТ^"7

В.П. Димитров

¿¡f ^

'¿b Ус

РОСТОВСКАЯ-ЩДОНУ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

БАБИЧ СВЕТЛАНА ЯКОВЛЕВНА

ОПТИМИЗАЦИЯ ТИПОРАЗМЕРНОГО РЯДА ВАЛКОВЫХ ЖАТОК И ХЕДЕРОВ ДЛЯ КОМБАЙНОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УБОРКИ ЗЕРНОВЫХ КОЛОСОВЫХ КУЛЬТУР

05.20,01 - "Механизация сельскохозяйственного производства"

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: Заслуженный работник высшей школы РФ доктор технических наук, профессор ПЕНЯЗЕВ O.A.

Ростов-на-Дону 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение_

Глава 1. Проблемы выбора оптимального типажа валковых жаток и хедеров для комбайновых технологий уборки зерновых колосовых культур.

1.1. Состояние вопроса_

1.1.1. Анализ технологий уборки зерновых культур_

1.1.2. Комбайновые технологии уборки зерновых колосовых культур_

1.1.3. Новые направления в развитии технологии комбайновой уборки зерновых колосовых культур_

1.1.4. Индустриально-поточные технологии уборки зерновых колосовых культур_

1.1.5. Исследование потерь зерна, возникающих при комбайновой

уборке зерновых колосовых культур_25

1.1.6. Классификация потерь урожая_26

1.1.7. Зависимость величины биологических потерь зерна от

продолжительности уборки_26

1.1.8. Механические потери зерна при комбайновой уборке

зерновых колосовых культур_29

1.1.9. Типажи валковых жаток и хедеров к зерноуборочным

комбайнам_:_31

1.1.10. Определение ширины захвата валковых жаток и хедеров комбайнов_3 5

1.1.11. Выводы по главе_37

1.2. Цель и задачи исследования_38

Глава 2. Модели выбора.

2.1. Исходные зависимости_40

2.2. Разработка моделей

Стр. 5

_9 .10

.18 22

2.2.1. Оптимизационная модель типоразмерного ряда валковых жаток_45

2.2.2. Модель выбора режима работы_51

2.2.3. Модель оптимального выбора технологии уборки_62

2.2.4. Модель определения перспективной потребности в

валковых жатках и жатках-хедерах_74

2.2.5. Модель определения эффективности использования валковых

жаток оптимального типажа_78

2.2.6. Выводы по главе_82

Глава 3. Исследование различных факторов. Программа и методика

проведения исследований.

3.1. Исследование зависимости ширины захвата жатки от характеристик убираемой культуры_84

3.2. Исследование зависимости рабочей скорости комбайна

от мощности валка_87

3.3. Определение величины удельной ширины захвата жатки для обеспечения полной загрузки единицы пропускной способности зерноуборочного комбайна_89

3.4. Разработка типоразмерного ряда валковых жаток, жаток-хедеров

и хедеров комбайнов на период до 2020 года_100

3.5. Анализ зависимости годовой загрузки от степени универсализации жатвенных машин_108

3.6. Определение потребности в валковых жатках прогнозируемого типажа_113

3.7. Точность оценки при расчёте перспективной потребности

в валковых жатках_118

3.8. Методика экономической оценки_122

3.9. Определение экономической эффективности от использования валковых жаток прогнозируемого типажа_124

3.10. Выводы по главе_133

Заключение Список использованной литературы Приложения

ВВЕДЕНИЕ.

Объекты исследований - типажи валковых жаток и хедеров для комбайновых технологий уборки зерновых колосовых культур.

Целью работы является прогнозирование и разработка научно-обоснованного оптимального для технологий уборки зерновых колосовых культур раздельным способом и прямым комбайнированием унифицированного типажа зерновых валковых жаток и хедеров зерноуборочных комбайнов, обеспечивающих минимизацию материальных затрат и потерь зерна.

Актуальность темы. Для уборки зерновых колосовых культур по технологиям уборки раздельным способом и прямым комбайнированием в конце 80* - начале 90* годов в парке машин страны имелись зерновые валковые жатки двух типоразмеров (6 и 1 Ом) и хедеры для зерноуборочных комбайнов четырёх типоразмеров (3,2; 4,1; 5,0 и 6,0м).

Типоразмерные ряды зерновых валковых жаток и хедеров не были унифицированы между собой. Валковые жатки и хедеры принципиально отличались по конструкции, в связи с чем унификация их узлов и деталей была минимальной, что значительно усложняло их производство и, особенно, эксплуатацию в сельском хозяйстве.

Кроме того, ограниченная номенклатура типоразмеров зерновых валковых жаток и отсутствие в парке машин широкозахватных хедеров для высокопроизводительных комбайнов не обеспечивало оптимальную загрузку молотилок комбайнов на уборке зерновых колосовых культур при существующем диапазоне урожайности в различных регионах страны.

В середине 90* годов ГСКБ АО "Ростсельмаш" разработало блочно-модульное семейство зерновых валковых жаток и жаток-хедеров с высокой степенью унификации. Типаж этих машин включает 5 базовых моделей шириной захвата 5,0; 6,0; 7,0; 8,6 и 11,0м, унифицированных между собой по основным узлам конструкции: мотовила, режущего аппарата, транспортёра и приво-

дов. Разработаны также 4 типоразмера хедеров для комбайнов семейства "Дон" шириной захвата 5,0; 6,0; 7,0 и 8,6м.

Типоразмерные ряды зерновых валковых жаток, жаток-хедеров и хедеров комбайнов унифицированы между собой также по ширине захвата.

Однако следует отметить, что выбранный ГСКБ АО "Ростсельмаш" типоразмерный ряд жаток и хедеров по ширине захвата не оптимален и экономически недостаточно обоснован. Отсутствует гармоничность характеристик ряда: диапазон колебания ширины захвата соседствующих в типоразмерном ряде жатвенных машин находится в пределах 1,16-1,28.

Экономически не обоснована также целесообразность использования хедера шириной захвата 8,6м.

Разработка оптимального типажа валковых жаток и хедеров является сложной проблемой, зависящей от большого количества разнообразных факторов: агроклиматических, технологических, технических, экономических и др. Оценить каждый из этих факторов, и особенно, в их взаимодействии, является весьма сложной задачей.

В связи с изложенным, задача проведения исследований с целью разработки прогнозируемого нового унифицированного оптимального типоразмер-ного ряда валковых жаток, жаток-хедеров и хедеров для зерноуборочных комбайнов является своевременной и актуальной, а её решение требует создания научно-обоснованного метода.

Научная новизна заключается в разработке усовершенствованной системы математических и экономико-математических моделей, предусматривающих определение основных характеристик для принятия решений при прогнозировании оптимального типоразмерного ряда валковых жаток и хедеров зерноуборочных комбайнов и методов оптимального выбора зерноуборочной техники в различных регионах РФ исходя из условий минимизации материальных затрат и потерь зерна, а также в уточнении методики оптимизационных мето-

дов проведения технико-экономических расчётов и решения задач по определению потребности в валковых жатках.

Практическая ценность заключается в том, что номенклатура валковых жаток и хедеров разработанного типоразмерного ряда позволяет оптимизировать технологии уборки урожая во всём разнообразии диапазонов урожайности, складывающейся в реальных условиях зернопроизводящих хозяйств во всех регионах РФ.

Разработанные номограммы и таблицы позволяют в условиях конкретного хозяйства региона без проведения сложных расчётов достаточно просто и легко решать ряд задач оптимизации.

Диссертационная работа состоит из краткого введения, трёх глав, заключения, перечня использованных источников и приложений.

В первой главе "Проблемы выбора оптимального типажа валковых жаток и хедеров для комбайновых технологий уборки зерновых колосовых культур" на основании материалов литературных источников проведён анализ технологий уборки зерновых колосовых культур; исследованы зависимости величины биологических потерь зерна от продолжительности уборочного процесса; рассмотрены и проанализированы существовавшие типажи валковых жаток и хедеров; подробно изложены известные публикации, посвящённые рассматриваемой научной задаче с указанием достоинств и недостатков известных решений, а также изложены поставленные перед диссертационной работой задачи по уточнению и усовершенствованию этих решений; отражён большой вклад отечественных учёных и специалистов в теоретические исследования, разработку и испытания зерноуборочной техники и в разработку её типажей. Даны выводы по главе. Сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке программы и методики проведения исследований и разработке экономико-математических моделей оптимизации для решения задач, возникающих при выборе оптимального типоразмерного ряда валковых жаток и хедеров комбайнов, при сравнении вариантов режима

работы и оптимального выбора технологий уборки, при определении оптимальной потребности в валковых жатках и эффективности их использования в сельскохозяйственном производстве. Даны выводы по главе.

В третьей главе выполнен ряд исследований, в том числе:

- зависимости оптимальных диапазонов работы жаток и хедеров от урожайности и пропускной способности комбайнов;

- зависимости между величиной удельной ширины захвата жатки и полной загрузкой единицы пропускной способности комбайна;

- влияние мощности образованного валковой жаткой валка на рабочую скорость комбайна;

- зависимость ширины захвата жатки от характеристик убираемой культуры;

- зависимости годовой загрузки от степени универсализации жатвенных машин.

Определена потребность в валковых жатках прогнозируемого типажа, усовершенствована методика экономической оценки, определён годовой экономический эффект от использования валковых жаток предлагаемого типажа. Даны выводы по результатам исследований.

В заключении приводятся общие выводы и предложения. Апробация работы. Предложения по оптимизации типоразмерного ряда валковых жаток и хедеров к зерноуборочным комбайнам переданы для реализации ГСКБ по комплексам зерноуборочных машин АО "Ростсельмаш".

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.

Объём работы. Диссертационная работа содержит 157 страниц машинописного текста, 15 рисунков, 13 таблиц, 2 приложения, список использованной литературы из 175 наименований, в том числе 9 на английском и немецком языках.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОГО ТИПАЖА ВАЛКОВЫХ ЖАТОК И ХЕДЕРОВ ДЛЯ КОМБАЙНОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УБОРКИ ЗЕРНОВЫХ КОЛОСОВЫХ КУЛЬТУР.

1.1.Состояние вопроса.

Экономическая эффективность применения зерноуборочной техники в сельскохозяйственном производстве зависит от качества выполнения ею технологического процесса, стоимости, производительности и надёжности, соответствия параметров физико-механическим свойствам убираемой культуры, а также от ряда других факторов.

Взаимосвязь между указанными элементами системы очень сложна и многофакторна.

Решение задач по выбору оптимальных параметров машин и технологий, обеспечивающих максимальную эффективность, выполняется методами математической оптимизации [4, 9, 10, 15, 22, 25, 27, 28, 29-, 45, 46, 59, 70, 71, 73, 78, 90,95, 121, 143, 147, 149, 154, 157, 170, 171].

В различных источниках [7, 52, 58, 68, 103, 105, 155, 170] приводятся основные условия и оценка целесообразности применения в нашей стране прямого комбайнирования или раздельного способа уборки зерновых колосовых культур, однако до настоящего времени не полностью решены вопросы, касающиеся оптимального, экономически обоснованного предпочтения способа уборки с учётом урожайности, соломистости, состояния хлебостоя и других факторов.

Как известно, с увеличением производительности комбайна возрастают потери зерна за молотилкой, а при снижении - уменьшаются.

Согласно ГОСТ26684-85 "Комбайны зерноуборочные. Общие технические требования " механические потери зерна при уборке хлебов комбайнами в

зависимости от степени полёглости не должны превышать 2-3%, в том числе потери за молотилкой - не более 1,5%[35].

В развитых зернопроизводящих странах, например в Канаде, где годовая нагрузка на один комбайн превышает 150 га, стандартами предусмотрен уровень потерь за молотилкой 3%, а в Германии, где годовая нагрузка на комбайн составляет 32 га — 1% потерь. В России в 1997 году годовая нагрузка на один комбайн превышала 500 га [109].

Пока не отработана экономико-математическая модель, позволяющая реально определять оптимальный экономически обоснованный уровень механических потерь зерна за молотилкой в зависимости от годовой нагрузки на комбайн, производительности машины, сроков уборки и связанных с ними биологических потерь зерна.

В нашей стране отсутствует унифицированный, экономически оптимальный типоразмерный ряд валковых жаток и хедеров комбайнов, что снижает их эффективность в эксплуатации.

При экономической оценке и обосновании параметров машин важнейшим элементом является выбор критерия оптимизации.

В качестве критериев в настоящее время применяют ряд натуральных и стоимостных показателей. Например, часовая производительность машины; затраты труда на единицу продукции; минимальный уровень потерь; затраты энергии на единицу продукции и др.

На наш взгляд, наиболее значимым является критерий "приведенные затраты ", дающий возможность комплексно оценивать эксплуатационные затраты с учётом капитальных вложений в технику.

1.1.1. Анализ технологий уборки зерновых культур.

Технологический процесс уборки всего биологического урожая зерновых культур является наиболее сложным и трудоёмким процессом в сельскохозяй-

ственном производстве и требует значительных затрат труда, денежных средств и других ресурсов.

Вопросами развития зерноуборочной техники постоянно занимаются учёные, специалисты и производственники системы сельского хозяйства и сельхозмашиностроения.

Наряду с комбайновой технологией уборки, получившей наибольшее распространение во всех странах мира, во второй половине ХХт века внимание разработчиков продолжают привлекать варианты некомбайновых технологий уборки урожая колосовых культур с обработкой хлебной массы на стационарных и полустационарных пунктах, а также технологии уборки колосовых с очёсом растений на корню и некоторые другие технологии.

1.1.2. Комбайновые технологии уборки зерновых колосовых культур.

Промышленное производство зерноуборочных комбайнов в нашей стране было начато в 1930 году. За период с 1930 года по настоящее время создано и освоено промышленное производство четырёх поколений зерноуборочных комбайнов.

I поколение зерноуборочных комбайнов - это прицепные моторные и безмоторные машины пропускной способностью 1,9-2,2 кг/с хлебной массы.

II поколение - более усовершенствованные по сравнению с I поколением машин прицепные моторные и безмоторные комбайны пропускной способностью 2,2-4,2 кг/с и самоходный комбайн С-4 пропускной способностью 2,5 кг/с.

III поколение зерноуборочных комбайнов - это самоходные машины пропускной способностью от 2,7-3 до 7 кг/с хлебной массы.

Переход промышленности на массовый выпуск самоходных зерноуборочных комбайнов третьего поколения явился большим достижением отечественного комбайностроения. Широкое применение в сельском хозяйстве самоходных комбайнов взамен прицепных обеспечило значительную экономию

трудовых ресурсов и топлива, высвободило тракторный парк для проведения других полевых работ. Отпала также необходимость в предварительной подготовке полей к работе комбайна, т.к. самоходный комбайн сам способен работать в качестве прокосчика. Самоходные комбайны более маневренные и обладают более высокой проходимостью.

Насыщение комбайнового парка страны самоходными машинами третьего поколения дало возможность ощутимо снизить себестоимость уборки, сократить потери зерна и сроки уборки урожая, значительно облегчить труд селян и обеспечить механизацию уборки хлебов на более высоком техническом уровне.

В зерноуборочных комбайнах четвёртого поколения пропускной способностью от 3 до 12 кг/с хлебной массы внедрены последние достижения научно-технического прогресса.

Особое внимание при создании конструкций каждого класса этих машин уделено повышению производительности, обеспечению минимальных потерь и дробления зерна, увеличению надёжности, снижению материалоёмкости, повышению универсальности, снижению энергопотребления, улучшению условий труда, повышению автоматизации управления и контроля за работой основных рабочих органов и агрегатов с применением сложных электронных контрольно-измерительных приборов, автоматизированных механизмов и устройств.

Новые технические решения и усовершенствования, внедрённые в зерноуборочных комбайнах четвёртого поколения, обеспечивают полу