На основе статистических данных [1] в РФ, начиная с 1997 г., отслеживается тенденция к снижению посевных площадей всех зерновых культур. Так, если посевные площади под пшеницу в 1997 г. составляли 8994 тыс. га, то к 2003 г. они снизились до 7412 тыс. га. Причем урожайность ее не превышает 23 ц/га, в то время как в развитых странах (Швеции, Мексике, Германии, Австрии) она составляет 50 ц/га. А в таких странах, как Великобритания, Франция, Бельгия и Нидерланды, собирают до 70 ц/га. В связи с этим в России актуальна проблема уборки зерновых культур не только своевременно, но и с минимальными потерями.

Повышение пропускной способности зерноуборочных комбайнов непременно сыграло свою роль в сокращении сроков уборки зерновых культур. Сегодня у отечественных комбайнов она достигает 10 кг/с и более. Так, пропускная способность комбайна "Дон-1500Б" составляет 14 кг/с, а "Дон-2600" - 16 кг/с. По сравнению с "Нивой" она возросла почти втрое. Однако достигнута она была за счет увеличения габаритных размеров таких узлов, как молотилка, барабан молотильного аппарата, соломотряс и очистка. В связи с этим закономерно возросла масса комбайна ("Дон-1500Б" весит 13240 кг а "Дон-2600" - 14600 кг).

Несмотря на то, что в повышении пропускной способности комбайнов произошел резкий скачок, в их технологическом процессе (обмолоте массы, сепарации грубого и зернового вороха) по-прежнему имеются недостатки (хотя и находятся они в рамках агротехнических требований), выражающиеся в дроблении зерна (до 2 %), его макро- и микроповреждении, потерях зерна за соломотрясом и очисткой (в совокупности 1,5 %). Устранение этих недостатков дальнейшим увеличением ширины молотильного аппарата, площади соломотряса и очистки повлечет за собой рост массы комбайна, а также прямо скажется на повышении давления на почву, вызывающего разрушение ее верхнего, плодородного слоя. Следовательно, добиваться снижения названных негативных факторов необходимо путем активизации процессов в каждом узле комбайна.

Предлагаем схему активизации сепарации зернового вороха, обеспечивающей снижение процента потерь зерна за очисткой.

Активизация сепарации зернового вороха была заложена уже в первой конструкции ветрорешетной очистки (рис. 1). Роль активатора в ней выполняет решетка, являющаяся продолжением транспортной доски и расположенная над верхним жалюзийным решетом очистки. Процесс сепарации зерна на серийной жалюзийной ветрорешетной очистке протекает следующим образом: зерновой ворох, выделенный молотильным аппаратом, отбойным битером и клавишным сепаратором, подается транспортной доской 1 на верхнее жалюзийное решето 3. В процессе движения вороха по транспортной доске, совершающей колебательные движения, происходит первичная сепарация зерна через слой вороха: зерна и тяжелые примеси выделяются из общей массы и движутся в нижней зоне слоя, а легкие и крупные соломистые частицы перемещаются в его верхней части. На решетке 2 транспортной доски, расположенной над началом решета, происходит дальнейшая предварительная сепарация вороха: зерно, движущееся в нижней зоне слоя, поступает на верхнее жалюзийное решето, а крупные соломистые частицы перемещаются по пальцам решетки.

Такое предварительное разделение зернового вороха повышает эффективность очистки. Однако так происходит не всегда. При пониженной влажности (при пересохшей соломистой фракции) в молотильном аппарате комбайна увеличивается степень перебивания соломы и, как следствие, выход дополнительных соломистых фракций на очистку. Среди них, как правило, преобладает мелкая фракция. В процессе перемещения по транспортной доске ее частицы, достигнув края доски, не попадают на решетку ввиду малых их размеров, а поступают на верхнее жалюзийное решето сразу после схода с транспортной доски. Перемещение соломистой части вороха с транспортной доски на решетку и дальнейшее ее движение по всей поверхности решетки — процесс вероятностный, так как происходит он не только при колебании решетки, но и в зоне воздушного потока, создаваемого вентилятором. Вероятность попадания соломистой фракции на решетку зависит не только от ее размеров, но и от расположения частиц в процессе перемещения по поверхности транспортной доски. Если частицы по отношению к направлению движения расположены поперек и имеют длину большую, чем шаг решетки, то вероятность их попадания на ее поверхность и перемещения затем по всей ее длине увеличивается. Соломистые частицы, находящиеся под углом к пальцам решетки, смогут перемещаться по ней, если будут контактировать с рядом расположенными пальцами своими концами. Частицы же, расположенные вдоль направления движения, на решетку не попадают и поступают вместе с их мелкой фракцией на поверхность верхнего решета, способствуя существенному увеличению толщины слоя вороха. Следовательно, вынос соломистых частиц воздушным потоком вентилятора с поверхности верхнего решета уменьшается, что приводит к ухудшению сепарации в самом слое вороха (прохождению зерна из верхних слоев в нижние, т. е. к поверхности решета). Таким образом, имеет место увеличение потерь зерна за очисткой сходом.

Из сказанного вытекает, что решетка транспортной доски является пассивным разделителем (сепаратором) зернового вороха, а, следовательно, малоэффективна.

Учеными и конструкторами в дальнейшем создано множество конструкций жалюзийной ветрорешетной очистки с активаторами сепарации зернового вороха. Однако до сего времени в конструкцию только отдельных марок серийных комбайнов внедрены лишь единицы (в основном из-за их низкой эффективности, сложности конструкции, повышенной энерго- и металлоемкости, громоздкости и др.).

На основе теоретических предпосылок, математической модели, лабораторных, хозяйственных и эксплуатационных испытаний автором разработана конструкция высокопроизводительной очистки с активатором сепарации зернового вороха (рис. 2). Она включает транспортную доску 1, пальцевую решетку 2, верхнее решето 3 с удлинителем, кронштейны 4 крепления активатора к корпусу комбайна, подшипниковый узел 5, ось активатора 6, диск 7 крепления пальцев 8, ось 9, палец с кривизной 10 и шайбы 11 крепления съемника. Рабочая длина активатора 1100 мм, диаметр 270 мм. Рабочая длина пруткового съемника 1100 мм. Масса приспособления 13,5 кг. Продолжительность, ч (трудоемкость, чел.-ч) монтажа/демонтажа 1,5 (3) / 1,17 (2,34).

Рис. 2. Схема жалюзийной ветрорешетной очистки с активатором сепарации зернового вороха

При расчете габаритных размеров активатора автор исходил из размеров существующего пространства между верхним решетом и соломотрясом. С учетом зазора между днищем соломотряса и пластинами решета активатор максимально приближен к транспортной доске за счет того, что пальцы решетки укорочены (обрезаны) по длине. Очистка с активатором прошла последовательно несколько видов испытаний.

Испытания проведены в 2003 г. в реальных условиях—во время уборочной страды в хозяйствах Новоос-кольского и Волоконовского районов Белгородской обл. Лабораторная установка изготовлена на Волоконовском ремонтно-механическом заводе. Зерновой ворох отбирали пять раз в день с транспортной доски работающего на поле комбайна и доставляли на автомобиле к месту испытаний за 15—20 мин.

Началу испытаний предшествовал анализ вороха на предмет определения размеров содержащихся в нем соломистых фракций. Исходя из этого, было оптимизировано расстояние между пальцами активатора. А в целях определения оптимальных параметров пальца активатора (в частности, радиуса его кривизны) он изготовлен в нескольких вариантах и испытан в лабораторных условиях. При определении диаметра пальца были проведены прочностные расчеты с учетом не только перемещения и подъема им соломистой фракции, но и с учетом того, что зерно не должно захватываться во избежание подъема его в верхние слои и над решетом. Критериями многофакгорного эксперимента служили форма пальца и его параметры, число пальцев, влажность вороха, частота вращения активатора и толщина слоя вороха. Результаты лабораторных испытаний подтверждены актом.

При работе очистки с активатором его пальцы, вращаясь вместе с диском на оси, внедряются в слой вороха, захватывая его соломистую фракцию (измельченные стебли) из нижних слоев и поднимая ее. При выходе пальца из вороха благодаря его кривизне она сходит на поверхность решета. Таким образом, исключается негативный момент выброса массы, поскольку в ней находится не только соломистая фракция, но и оборванные и с недомолоченным зерном колоски, которые после схода с пальца продвигаются по решету. Длинная соломистая фракция, попавшая на решето с соломотряса и захваченная пальцем активатора, во избежание наматывания на него снимается пальцем 10 и сбрасывается на верхнее решето. На удлинителе происходит выделение оборванных и недомолоченных в молотильном аппарате колосков, которые затем поступают в колосовой шнек. Прошедшее через верхнее решето зерно поступает на нижнее жалюзийное решето.

Пальцы активатора работают при движении решета в обоих направлениях, исключая его забивание. Особенно ярко это проявляется при уборке остистых культур (например, ячменя).

Таким образом, в слое вороха образуется пространственная решетка, способствующая увеличению скорости прохождения зерна через нее из верхних слоев в нижние к поверхности решета (т. е. существенно улучшаются два основных фактора, влияющих на сепарацию — вспушивание и разрыхленность вороха), что существенно снижает потери зерна за очисткой.

Активатор особенно эффективен при уборке в сложных условиях, зависящих от климата, урожайности культуры, высоты и густоты стеблестоя, влажности соломы и зерна, засоренности посевов, подачи массы в молотильный аппарат и др. Например, при уборке высокоурожайных и высокостебельных зерновых культур существенно возрастает плотность вороха, а в регионах с пониженной влажностью молотильный аппарат перебивает солому до мелкой фракции. Кроме того, при двухфазном обмолоте появляется дополнительная мелкая соломистая фракция, поступающая на очистку. Это наблюдается и при работе комбайна с аксиально-роторной молотилкой [2]. При уборке зерновых культур с травяной растительностью, и в регионах с повышенной влажностью (особенно в дождливые годы, когда сорная растительность существенно опережает рост культурных растений) крупная сырая стебельная масса сорняков, более тяжелая, чем соломистая фракция, находясь в нижнем слое вороха, препятствует прохождению зерен к поверхности решета. Плотность возрастает с увеличением влажности убираемых культур. Движение решета и силы воздушного потока оказываются недостаточными для того, чтобы создать необходимую пространственную решетку в слое вороха, а, следовательно, прохождение зерна из верхних слоев вороха в нижние затруднено. При этом существенно увеличиваются потери зерна за очисткой.

Плотность — фактор, существенно влияющий на сепарацию зернового вороха. С ее увеличением ухудшается прохождение зерна через слой вороха, поэтому для его просеивания требуется более длительное пребывание на поверхности решета. При неизменных конструкционно-кинематических параметрах основных элементов ветрорешетной очистки это достигается за счет увеличения угла наклона верхнего решета (так как в этом случае продолжительность пребывания зернового вороха на решете возрастает) и регулирования скорости перемещения вороха по решету. Однако, как показывает практика, такое регулирование не оказывает большого влияния на сепарацию зернового вороха в этих условиях.

В данном случае отдельные исследователи пришли к выводу, что для снижения плотности зернового вороха необходимо уменьшить толщину его слоя. Эта научная гипотеза была реализована в конструкции пневмоинер-ционного сепаратора, внедренного в комбайн. Однако это повлекло за собой изменения в конструкции ветрорешетной очистки, вызвавшие увеличение ее габаритных размеров, а также металле- и энергоемкости. В настоящее время данная идея не нашла пока воплощения в серийном производстве. Это подтверждается во вновь разработанных серийных марках зерноуборочных комбайнов. В то время как активизации процесса сепарации можно добиться путем установки в первой половине решета активатора предлагаемой нами конструкции.

В связи с тем, что толщина вороха, поступающего на транспортную доску и верхнее решето очистки, - весьма важный фактор, влияющий на интенсивность сепарации, отдельные исследователи предлагают уменьшить ее, увеличив скорость перемещения вороха за счет изменения конструкции и принципа действия решет. При использовании же предлагаемого активатора подобные изменения не требуются.

Интенсивная сепарация вороха в зоне работы активатора позволяет существенно снизить не только плотность, но и толщину. Таким образом, на основе уменьшения этих двух факторов создаются благоприятные условия для послойного перемещения вороха (фактора, оказывающего также существенное влияние на прохождение зерна через слой вороха к поверхности решета).

Кроме дробления зерна в молотильном аппарате происходит и его макро- и микротравмирование в других узлах комбайна, в том числе на верхнем и нижнем жалю-зийных решетах. По данным исследователей, при уборке зерновых культур макроповреждение зерна составляет 3—20 %, а количество зерна с микроповреждениями (в том числе и в области зародыша) достигает 40—60 % [3]. В результате этого полевая всхожесть зерна снижается. (Заметим, что при уменьшении полевой схожести только на 10 % потребность в семенах при пересеве в целом по стране увеличивается на несколько тысяч тонн.)

При работе активатора большая часть зерна выделяется из вороха в начале очистки (в начале верхнего решета). Вследствие этого существенно снижается вероятность его травмирования, что было подтверждено при проведении эксплуатационных испытаний очистки с активатором.

При разработке экспериментальной очистки автор преследовал цели:

• внедриться в схему зерноуборочного комбайна без ее изменения с учетом существующего пространства между решетом и соломотрясом;
• обеспечить простоту конструкции, ее минимальную металле- и энергоемкость;
• предусмотреть рациональную схему привода рабочих органов;
• обеспечить простоту и доступность при обслуживании и монтаже.

Хозяйственные испытания экспериментальной очистки проводили в уборочную страду 2004 г. в ООО "Кури-ловское СХУ МЭС" (Собинский р-н Владимирской обл.), результаты которых подтверждены соответствующим актом. При ее эксплуатационных испытаниях (там же в 2003 г.) на уборке ячменя использовали рабочую программу-методику, утвержденную директором ФГУ "Владимирская МИС" Ю. А. Матвиенко. При этом учитывали требования технической документации на комбайн СК-5М-1 "Нива". Агротехническая оценка проведена по ОСТ 108.1—99. Результаты испытаний приведены ниже.

Испытания показали следующее:

• потери зерна в полове при работе комбайна с активатором составили 0,1 % при рабочей скорости 3,6 и 4,7 км/ч. При уборке без активатора на этих же скоростях потери увеличились соответственно до 0,9 и 0,7 % (по агротребованиям они не должны превышать 1 %);
• содержание сорной примеси в бункерном зерне при работе с активатором в 1,6—2,4 раза ниже, чем в зерне, убранном комбайном без активатора;
• количество дробленого зерна в ворохе в сравниваемых вариантах не превышает допустимого (не более 2 %).

--------------------------------------------------------------------------
                                    С активатором         Без активатора 
--------------------------------------------------------------------------

Скорость комбайна, м/с(км/ч) ... 1(3,6) ... 1,3(4,7) .. 1(3,6) .. 1,3(4,7)
	
Подача, кг/с:

   фактическая ................... 2,6 ........ 4,5 ..... 2,2 ....... 3,2
   приведенная 
(пропускная способность) ......... 1,6 ........ 2 ....... 1,2 ....... 1,5 

Потери зерна в полове, % ......... 0,1 ........ 0,1 ..... 0,9 ....... 0,7

Качество зерна из бункера 
комбайна, %

   дробление ..................... 0,27 ...... 0,29 ..... 0,3 ...... 0,32
   обрушивание ................... 0 ......... 0 ........ 0 ........ 0
   сорная примесь ................ 2,9 ....... 3 ........ 7 ........ 4,7

-------------------------------------------------------------------------

Список литературы

1. Справочник инженера-механика сельскохозяйственного производства. — М.: Росинформагротех, 2004. Ч. 1.

2. Кленин Н. И., Егоров В. Г. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. — М.: Колос, 2005.

3. Механизация уборки зерновых культур. Научные труды ВАСХНИЛ / Под ред. А. И. Ф и л и п п о в а. — М.: Колос, 1977.