За последние 15–20 лет единичная мощность зерноуборочной техники увеличилась в 1,5–3,0 раза, а ее масса – в 2–3 раза. Как следствие, резко возросли нагрузки на почву, в частности таких комбайнов, как КЗС «Vector 410», «ACROS 530», КЗС-1218 «Амур-Палессе», «Меgа 350», «Tucano 430», применяемых на уборке сои и зерновых культур в дальневосточном регионе [1]. К примеру, колесный комбайн КЗС-1218-40 «Амур-Палессе» с полной массой 22,9 тонны имеет нижний уровень давления под передними колесами 211 кПа, а под задними – 431 кПа, комбайн ACROS 530 соответственно под передними колесами – 193 кПа, под задними колесами – 261 кПа (при допустимом нормальном давлении для переувлажненных почв не более 50 кПа).
Степень воздействия антропогенной нагрузки на экосистемы стала настолько велика, что следует говорить об опасности неотвратимой потери плодородия почв и прогрессирующей деградации агрофитоценозов.
Анализ различных технологий уборки полевых культур [2] показал, что по критерию «максимум производительности при минимуме энергозатрат» и допустимом нормальном давлении движителей на почву одной из перспективных считается технология уборки сельскохозяйственных культур методом очёса растений на корню. Но исследования в данном направлении проводились в основном только на зерновых и метельчатых культурах [3]. В Дальневосточном федеральном округе основные площади отводятся под выращивание сои [4]. Для ее уборки методом очёса необходимо создать новую полевую машину, которая позволит решить следующие задачи:
1. Уменьшить антропогенное воздействие ходовой части комбайна на почву, за счёт снижения его массы.
2. Повысить производительность комбайна за счёт исключения молотильно–сепарирующего устройства из конструкции.
3. Снизить процент потерь и травмирования зерна сои за счёт сокращения рабочих органов, воздействующих на него при его обмолоте и очистке.
4. Уменьшить потребляемую на рабочий процесс уборки мощность двигателя и, следовательно, расход топлива.
Рассмотрим уборку сои как взаимодействие двух подсистем: биологической и технической, каждая из которых включает ряд факторов, в той или иной мере влияющих на процесс очёса.
Векторная функция состояния биологической подсистемы на любой момент времени (t) запишется как
Yбс = f{ΣFwi(t); Ft °(t); Fн(t); Fa(t); ΣFk(t); Fy(t)},
где ΣFwi(t) – функции влажности параметров; Ft °(t) – функция температуры; Fн(t) – функция ветровой нагрузки; Fa(t) – функция уклонов поля; ΣFk(t) – функция свойств культуры; Fy(t) – функция биологической урожайности.
Параметры биологической подсистемы формируют вектор входных воздействий на систему в целом Yбс и создают условия функционирования технической подсистемы, которую можно представить следующим образом (рис. 2).
Рис. 1. Основные факторы, характерные для биологической подсистемы
Рис. 2. Элементы технической подсистемы уборки сои очёсом
Векторная функция состояния технической подсистемы:
Yтс = f{q(t); Vp(t); ωб(t); ΔVмсу(t); H(t)},
где q(t) – подача растений к очёсывающему барабану, связанная с густотой посева и рабочей скоростью (Vp) рабочая скорость поступательного движения уборочной машины; ωб(t) – угловая скорость очёсывающего барабана; ΔVмсу(t) – разница окружных скоростей барабанов молотильно-сепарирующего устройства (МСУ); H(t) – напор воздушного потока МСУ.
Параметры технической подсистемы формируют вектор входных воздействий на систему Yтс. На эффективность функционирования системы влияют, кроме того, конструктивные особенности очёсывающего устройства, к ним относятся: диаметр очёсывающего барабана, количество гребенок и их форма, положение обтекателя жатки и т.д.
На выходе очёсывающего устройства формируются условия качественного очёса, представленные в виде векторной результирующей функции, отражающей внутренние связи биологической и технической подсистем (функция качества обмолота):
Фк = f{q(t); Уф(t); Псз(t); Псб(t); Поб(t); Фв(t)},
где q(t) – подача растений к очёсывающему барабану; Уф(t) – фактическая урожайность; Псз(t) – функция потерь свободным зерном за обтекателем; Псб(t) – функция потерь свободными бобами; Поб(t) – функция потерь недоочёсанными бобами (потери за очёсывающим барабаном); Фв(t) – фракционный состав вороха, поступающего на домолот в стационаре.
В целом технологический процесс уборки сои очёсом, как некую систему, можно представить в виде схемы (рис. 3), отражающей внешние воздействия и внутренние связи внутри неё.
при (Uis + UΣFix) ≥ (Uir + UΣFiy)
Рис. 3. Структурная схема системы техногенеза уборки сои очёсом: Fir(t) – факторы, способствующие качеству уборки; Fis(t) – факторы, препятствующие качеству уборки; Fix(t) – неуправляемые (и неконтролируемые) факторы; Fiy(t) – управляемые (управляющие процессом) факторы; Uф(t) – фактическая (бункерная) урожайность; Uб(t) – биологическая урожайность
Основной задачей, на решение которой направлена эта система, является полнота сбора урожая с единицы площади, которая выражается целевой функцией:
Uб(t) = Uф(t) = ΣПi(t) → min,
где ΣПi(t) – суммарные потери урожая за обтекателем, очёсывающим барабаном и домолачивающим устройством.
Для изучения процесса влияния биологической подсистемы на уборочный процесс очёсом в полевых условиях исследованы факторы состояния культуры к началу уборки. Растения сои характеризовались отсутствием листа, влажность бобов составила 14 %, полеглость стеблей отсутствовала. Биометрические характеристики растений: средняя высота растений составила – 0,62 м (при коэффициенте вариации V = 15,23), средняя высота прикрепления нижнего боба в естественном состоянии составила 0,11 м (при коэффициенте вариации V = 16,67), зона очёса (расстояние от уровня прикрепления нижнего боба до точки крепления верхнего боба) колебалась в пределах от 0,52 до 0,56 м (при коэффициенте вариации 13,41). Сорт сои «Лидия» (одностебельный). Способ посева рядовой, биологическая урожайность 16,2 ц/га.
Качество работы лабораторно-полевой очёсывающей установки (ЛПУ) осуществлялось по двум критериям – качеству обмолота и дроблению зерна.
Конструктивно-режимные параметры ЛПУ определялись расчетным и опытным методами по показаниям факторного эксперимента. Для условий испытаний, типичных для уборки сои, получены следующие значения: радиус очёсывающего барабана – 0,230 м, количество рядов гребёнок – 8, форма гребёнок – загнутая по эвольвенте, с диаметром паза между зубьями 5 мм; частота вращения очёсывающего барабана 300–380 мин-1; поступательная рабочая скорость – в пределах от 1,28 до 1,82 м/с. На этих конструктивно-режимных параметрах получены максимальные показатели качества очёса сои.