В опубликованных ранее работах [1 – 4] отмечается, что зерноуборочный комбайн можно рассматривать как сложную многопараметрическую преобразующую техническую систему, состоящую из различных технико-технологических подсистем, которые включают в себя модели отдельных подпроцессов и их взаимосвязи. В связи с этим технологический процесс зерноуборочного комбайна можно рассматривать как явление многоплановое, для которого характерны различные структуры и подпроцессы [1, 5 – 9]. Вышеизложенное можно представить на схеме (рис. 1).
Рис. 1 – Структурная схема модели технологического процесса зерноуборочного комбайна
Настоящее исследование проводили с целью обоснования методического подхода к моделированию технологического подпроцесса ветро-решётной очистки зерноуборочного комбайна. Исследование базируется на общелогическом методе и математическом анализе.
Результаты исследования. По рисунку 1 видно, что при выполнении технологического процесса преобразуются входные воздействия в виде условий функционирования Х(Тg) в выходные Y(Тg), определяющие количественно-качественные показатели работы машины: Vр(t) − рабочая скорость комбайна, м/с; Wч(t) − часовая производительность комбайна, га/ч; qуд(t) − удельный расход топлива, кг/га; Пз(t) − потери зерна; Kпз(t) − качественные показатели зерна. В зерноуборочном комбайне технологический процесс – это в основном последовательно соединённые подпроцессы, выполняемые такими техническими устройствами, как скашивание зерновых культур 1; подбор валка хлебной массы 2; обмолот хлебной массы 3; сепарация мелкого вороха 4; сепарация крупного вороха 5; измельчение и разбрасывание или валкообразование, или сбор соломы 6. На основе этого зерноуборочный комбайн можно представить в виде преобразующей технической системы (рис. 2).
Рис. 2 – Зерноуборочный комбайн как преобразующая техническая система
На рисунке 2 показано, что технологический процесс комбайна можно представить в виде модели, построенной по принципу «вход–выход». Выходные показатели функционирования технологического процесса условно можно представить как дифференциальные, так и интегральные [1, 3, 4, 5]. Дифференциальные – это выходные показатели, которые образуются в результате действия отдельных преобразующих технических подсистем, а интегральные – это те показатели, которые образуются в результате действия совокупности преобразующих технических подсистем. К ним можно отнести такие показатели, как Vp, Wч,qуд,Кпз, в частности и потери свободным зерном Пз за воздушно-решётной очисткой комбайна (рис. 3) [6 – 11].
Рис. 3 – Воздушно-решётная очистка комбайна
Воздушно-решётная очистка комбайна [9 – 11] состоит из основных рабочих органов, представленных на рисунке 4.
Исходя из вышеизложенного преобразующую техническую подсистему ветро-решётной очистки зернового вороха зерноуборочного комбайна можно представить в виде структурной схемы, построенной по принципу «вход–выход» (рис. 5).
По рисунку 5 видно, что преобразующая подсистема ветро-решётной очистки состоит из двух типов технических устройств, имеющих разное технологическое назначение. Так, подсистема 1 обеспечивает подачу воздуха и разрыхление зернового вороха, а подсистема 2 – сепарацию зерна через отверстия решёт и движение зернового вороха по сепарирующей поверхности.
Кроме того, из структурной схемы (рис. 5) следует, что входные показатели Х(Тg) образуются посредством двух преобразующих технических подсистем комбайна, это молотильный аппарат и соломотряс. В частности, Х1 – зерновая масса, которая состоит из полноценного, щуплого и дроблёного зерна, Х2 – длина измельчённой соломы, Х3 – количество половы, Х4 – соотношение стеблевой части соломы и половы в зерновом ворохе, Х5 – подача зерна соломотрясом, Х6 – подача зернового вороха на очистку с соломотряса, Х7 – пространственное расположение измельчённых стеблей соломы в потоке зернового вороха, Х8 – влажность зерна и растительной массы.
Из вышепредставленного материала следует, что зерновой ворох, поступающий на воздушно-решётную очистку зерноуборочного комбайна, можно рассматривать как смесь или сплошную среду, состоящую из зерновой массы, в которой имеются фракции полноценного, щуплого и дроблёного зерна, и полова, где содержатся фракции: чешуйки колоса, измельчённые части колоса и стебля (рис. 6).
зерновая масса чешуйки колоса части колоса и стебля
При движении зернового вороха по решету очистки комбайна в сплошную среду или смесь дополнительно вводится технологический воздух (рис. 4), который можно рассматривать как скелет внутри сплошной среды или смеси, движущийся с определённой скоростью (рис. 7).
Рис. 7 – Зерновой ворох на воздушно-решётной очистке комбайна как многокомпонентная и многоскоростная среда
Для дальнейшего рассмотрения данного вопроса допустим, что в любой точке с заданными координатами Х, Y и Z находится несколько сред в один и тот же момент времени. При этом введём допущение, что фракции измельчённой части колоса и стебля достаточно мало, поэтому её можно объединить с чешуйками колоса и далее рассматривать как полову. Тогда зерновой ворох как смесь или сплошную среду рассматриваем из трёх компонентов: зерновая масса, полова и воздух. Причём предполагаем, что в каждой точке пространства находится несколько сред (зерновая масса, полова и воздух) со своей приведённой плотностью ρi (ρi – масса i- компоненты в единице объёма), со своими скоростями υi, ui … i. Введём параметры, характеризующие смесь в целом:
(1)
где υ – скорость движения многоскоростной смеси как целого, м/с;
υi – скорость движения компонентов смеси, м/с.
Кроме приведённых плотностей ρi введём истинные плотности компонентов
, т.е. их плотности при отсутствии других компонентов смеси.
Далее предположим, что в общем объёме V находится смесь, состоящая из m компонентов; пусть Vi – часть объёма V, занимаемая i-й компонентой смеси при истинной плотности
. Очевидно, согласно закону сохранения массы [12 – 13], имеем:
Vi = Vρi ,
откуда (2)
Vi /V = ρi /
.
Так как
получаем:
(3)
Далее обозначим ji – интенсивность перехода из j-й компоненты (половы) в i-ю (зерновую массу) в единице объёма смеси в единицу времени. Очевидно, что:
ji = – ji. (4)
Для составления аналитического выражения для закона сохранения массы рассмотрим элементарный объём – параллелепипед со сторонами dx, dy, dz (рис. 8).
Рис. 8 – Элементарный объём зернового вороха на решете очистки комбайна как элементарный объём многоскоростной смеси
Очевидно, через грани, направленные соответственно осям x, y, z, перемещается в одну секунду количество i-й компоненты (зерновой массы) смеси, равное:
За счёт этого масса рассматриваемого объёма смеси уменьшается на величину
Кроме того, масса i-й компоненты смеси увеличивается на величину ji dx dy dz за счёт перехода массы i-й компоненты из других компонентов. Следовательно [12], получим:
ji = 0,
откуда, имея в виду (4), получим:
ji. (5)
Одно из m слагаемых (5), а именно ji равно нулю. Суммируя (5) по i, на основании (1) получим:
Из выражения (6) видно, что закон сохранения масс имеет место для смеси в целом.
Элементарный объём – параллелепипед со сторонами dx, dy, dz (рис. 8) – свидетельствует о том, что масса i-й компоненты, находящейся внутри элементарного объёма, равна ρi · dx dy dz. Следовательно, по закону потока импульсов, получим:
откуда
ji.
или
ji, (7)
где
– сила, действующая на i-ю компоненту, направленная вдоль оси x, приложенная к грани, направленной к оси x;
Pix – сила, действующая на единицу массы i-й компоненты вдоль оси x;
Pxji – сила, действующая вдоль оси x на i-ю компоненту со стороны j-й компоненты, приходящаяся на единицу объёма.
Очевидно, уравнение движения вдоль других осей будет иметь аналогичный вид:
ji; (8)
iji.
Для индивидуальной производительности имеем выражение:
i. (9)
Из выражения (9) следует, что при движении по решету зерноуборочного комбайна многокомпонентной и многоскоростной смеси, которой является зерновой ворох, возможно образование динамических эффектов, возникающих из-за несовпадения скоростей отдельных фаз.
При этом удельная энергия, приходящаяся на единицу массы, Ei имеет вид:
(10)
где Пij – внутренняя энергия;
– кинетическая энергия массы.
Рассмотрим наиболее простой случай, когда внутренняя (потенциальная) энергия П всей смеси, приходящаяся на единицу массы, и кинетическая энергия K всей смеси, приходящаяся на единицу массы, определяется равенством:
(11)
Полная энергия смеси в этом случае имеет вид:
(12)
Для анализа выражения (12), согласно [12], введём ν – диффузионные скорости, которые определяются равенством ν = υi – υ.
Подставив υij из (12) в (10), и имея в виду (12), получаем:
(13)
Из выражения (13) видно, что кинетическая энергия многокомпонентной и многоскоростной смеси определяется не только её движением как целого со скоростью υ, но и скоростями относительного движения составляющих, что также характерно и для полной энергии смеси, т.е. зернового вороха, движущегося по решету очистки зерноуборочного комбайна.
Выводы. Вышеизложенное свидетельствует о том, что зерноуборочный комбайн можно рассматривать как преобразующую техническую систему, состоящую из совокупности как технических подсистем, так и подпроцессов, к которым относятся и воздушно-решётная очистка, где подвергается технологическому воздействию зерновой ворох.
Выявлено, что зерновой ворох можно рассматривать как многокомпонентную и многоскоростную смесь, состоящую из твёрдых и воздушных сред. Установлено, что при движении зернового вороха по решету комбайна как многокомпонентной и многоскоростной смеси возможно образование динамических эффектов, возникающих из-за несовпадения скоростей отдельных фаз. При этом кинетическая энергия данной смеси, т.е. зернового вороха, определяется не только её движением как целого, но и скоростями относительного движения составляющих компонент.
Наличие скелета в виде технологического воздуха в смеси позволяет рассматривать зерновой ворох как пористую среду при моделировании техпроцессов воздушно-решётной очистки зерноуборочного комбайна.
Литература
1. Методический подход к моделированию технологического процесса зерноуборочного комбайна / А.П. Ловчиков, Е.А. Поздеев, О.С. Шагин [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 6 (74). С. 91 – 93.
2. К разработке стационарного процесса обмолота хлебной массы комбайном с классическим молотильно-сепарирующим устройством / А.И. Ряднов, А. П. Ловчиков, О.С. Шагин [и др.] // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2019. № 2 (54). С. 314 – 322.
3. Методический подход к исследованию эффективности технологических процессов измельчения и разброса соломы зерноуборочного комбайна / А.П. Ловчиков, С.А. Турчанинов, А.О. Бжезовский [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 4 (78). С.116 – 119.
4. Ловчиков А.П., Поздеев Е.А., Шагин О.С. Взаимопроникающие движения в воздушно-соломистой смеси при функционировании ИРС зерноуборочного комбайна // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 5(73). С. 152 – 154.
5. Результаты производственной проверки прямого комбайнирования с высоким срезом зерновых культур / А.П. Ловчиков, В.П. Ловчиков, Ш.С. Иксанов [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 1 (63). С. 75 – 77.
6. Ловчиков А.П. Технико-технологические основы совершенствования зерноуборочных комбайнов с большим молотильным аппаратом. Ульяновск: Зебра, 2016. 111 с.
7. Снижение потерь и механических повреждений зерна при уборке урожая: метод. рекомендации / А.И. Завражнов, М.М. Константинов, А.П. Ловчиков [и др.] Мичуринск: МГАУ, 2012. 82 с.
8. Комбайн самоходный зерноуборочный РСМ-101 «Вектор». Инструкция по эксплуатации и техническому обслуживанию РСМ-101 ИЭ. Версия 8. Ростов-на-Дону: ООО «Комбайновый завод «РОСТСЕЛЬМАШ», 2016. 450 с.
9. Комбайн зерноуборочный самоходный РСМ-152 «ACROS-590 Plus». Инструкция по эксплуатации и техническому обслуживанию РСМ-152 ИЭ. Версия 2. Ростов-на-Дону: ООО «Комбайновый завод «РОСТСЕЛЬМАШ», 2016. 300 с.
10. Рахимов Х.Р. Газовая и волновая динамика. М.: Московский университет, 1983. 200 с.
11. Карташов. Л.П. Системный синтез технологических объектов АПК. Екатеринбург: УрОРАН, 1988. 185 с.
12. Карташов Л.П. Параметрический и структурный синтез технологических объектов на основе системного подхода и математического моделирования. Екатеринбург: УрО РАН, 2009. 225 с.
№ 3 (83)
i. Введём параметры, характеризующие смесь в целом:
(1)
, т.е. их плотности при отсутствии других компонентов смеси.
. Очевидно, согласно закону сохранения массы [12 – 13], имеем:
Vi = Vρi ,
. 
получаем:
(3)
ji – интенсивность перехода из j-й компоненты (половы) в i-ю (зерновую массу) в единице объёма смеси в единицу времени. Очевидно, что:
ji = – 
ji. (4)
Кроме того, масса i-й компоненты смеси увеличивается на величину 
ji dx dy dz за счёт перехода массы i-й компоненты из других компонентов. Следовательно [12], получим:
ji = 0, 
ji. (5)
ji равно нулю. Суммируя (5) по i, на основании (1) получим:
ji.
ji, (7)
– сила, действующая на i-ю компоненту, направленная вдоль оси x, приложенная к грани, направленной к оси x;
ji; (8)
i
ji. 
i
. (9)
(10)
– кинетическая энергия массы.
(11)
(12)
(13)
