Инновационный способ уборки технической конопли и схема многофункционального агрегата для его осуществления
Посевная (техническая) конопля (Cannabis sativa L.) — стратегическая сельскохозяйственная культура с огромным бизнес-потенциалом, являющаяся источником самого прочного лубяного волокна и ценным сырьем для производства пищевой и иной разнообразной продукции во многих отраслях экономики. Особую ценность культуры представляют конопляное волокно (пенька), целлюлоза и масло семян конопли.
Посевная площадь технической конопли в России в 2022 году составила 14,3 тыс. га, или 108,7% к уровню 2021 г., что обусловлено расширением географии выращивания культуры и возрастающим спросом на натуральную и экологически чистую продукцию, в том числе из технической конопли.
С учетом природно-климатических условий и направлений хозяйственного использования техническая конопля возделывается на семена, волокно, а также двусторонне (семена + волокно), поэтому для ее уборки применяются различные технологии и технические средства. Вместе с тем механизация уборочных работ является одной из главных проблем в коноплеводстве, что обусловлено необходимостью сбора семян и срезанием высокорослых волокнистых стеблей, обладающих в период технической спелости повышенной прочностью. Кроме того, технологии уборки тесно связаны с последующими операциями приготовления тресты, переработки семян и стеблевой массы, отделения волокна от древесной части и т. п.
Анализ различных технологий уборки технической конопли показал, что на сегодняшний день отсутствуют отечественные машины, способные осуществлять уборку культуры по всем трем направлениям ее возделывания, в том числе с очесом стеблей на корню и сохранением полной технической длины стебля для получения длинного пеньковолокна. Наиболее распространенная в настоящее время (в том числе за рубежом) технология уборки конопли зерноуборочными комбайнами имеет ряд недостатков. После сбора семян в поле остается нескошенный стеблестой различной высоты (до 1,5–2 м). Это значительно затягивает сроки уборки, переходящие с осени одного года на весну следующего, и не позволяет производить осеннюю обработку почвы и посев озимых культур, что является проблемой для большинства хозяйств. При весеннем сборе стеблей уже в виде готовой тресты образуется хаотично разбросанная масса из обломков стеблей различной длины и ориентации, сцепленных и спутанных между собой, что весьма затрудняет их подбор, прессование и дальнейшую переработку. Возникает необходимость дополнительной операции прикатывания тресты перед подбором.
Адаптированные для этой технологии уборки зерноуборочные комбайны «ПОЛЕСЬЕ»-GS10/GS12, «Акрос»-585/595, «Дон»-1500Б и др. оснащены жаткой с режущим аппаратом сегментного типа, которым срезаются семенные метелки вместе с частью стебля (1/3 от общей длины), уменьшая тем самым его общую техническую длину, как источника сырья для получения пеньковолокна. При этом, вместе с метелками на обмолот в комбайн поступает и срезанная часть стебля, имеющая прочные лубяные волокна, что создает дополнительную нагрузку на его рабочие органы, приводит к образованию забивок, намоток на вращающиеся элементы и вынужденным остановкам комбайна.
В связи с изменением экономических условий производства в аграрном секторе и новыми задачами отрасли коноплеводства по повышению качества и конкурентоспособности продукции существующие технологии и технические средства для уборки посевной конопли требуют совершенствования и перехода на инновационную основу.
Цель исследований — повышение эффективности уборки технической конопли путем разработки инновационного способа и схемы многофункционального агрегата для его осуществления.
Материалы и методы
Исследования проводились в 2021–2022 годах на базе ФГБНУ «ФНЦ ЛК» совместно с ПАО «Пензенский машиностроительный завод (ПАО «Пензмаш). Объектом исследования являлись технологии уборки технической конопли и применяемые технические средства. В процессе исследований изучались технологии уборки культуры в ряде ведущих коноплесеющих регионов России (Курской, Ивановской, Пензенской областях и других субъектах), проводился анализ технологий, применяемых в зарубежных странах.
В ходе разработки нового способа исследовались показатели качества работы адаптера для уборки конопли в производственных условиях коноплесеющего хозяйства ООО «Смарт Хемп Иваново» Ивановской области в сравнении с уборкой конопли зерновым комбайном в обособленном подразделении ФГБНУ «ФНЦ ЛК» Пензенский НИИСХ в Пензенской области.
В процессе работы также проводились теоретические исследования и обоснование конструктивно-технологической схемы агрегата, применялись экспериментальные и производственные методы, методы сравнительного и системного анализа данных, экспертной оценки. Опирались на результаты хозяйственной деятельности коноплесеющих хозяйств, а также на данные собственных исследований авторов.
Результаты и обсуждение
Научные изыскания и результаты исследований различных технологий подтвердили необходимость разработки нового способа уборки технической конопли и схемы многофункционального агрегата для его осуществления. Этот способ должен обеспечивать получение семян конопли и конопляной тресты при снижении себестоимости производства за счет экономии топлива и электроэнергии на сушку и переработку семенного вороха, а также исключения дополнительных операций при получении лубяного сырья.
В соответствии с поставленной целью был разработан и запатентован инновационный способ уборки технической конопли, схема которого представлена на рисунке 1.
В новом способе уборки очес семенных метелок производился со стеблей на корню в стадии спелости семян, близкой к полному созреванию (от 80 до 90% для минимизации потерь семян) и осуществлялся методом протягивания стеблей между зубьями гребенки очесывающего устройства, освобождая их от семенной части. Очесанный ворох поступал на обмолот для получения семян и их первичной очистки. Одновременно с обмолотом вороха осуществлялись скашивание очесанных стеблей в комлевой части и укладка их в валок для вылежки в тресту.
Способ исключает срезание верхушечной части стебля, содержащей прочные лубяные волокна, при этом сохраняется техническая длина стеблей для производства длинного пеньковолокна. За счет отсутствия в очесанном ворохе стеблевой части обеспечивается качественный обмолот без дополнительной нагрузки на рабочие органы уборочной машины.
Для реализации инновационного способа разработана конструктивно-технологическая схема многофункционального агрегата (совместная разработка с ПАО «Пензмаш») (рис. 2).
Агрегат содержит энергетическое средство, очесывающее устройство со шнеком, приемную камеру для приема и перемещения очесанной массы, жатку-косилку с делителями для среза очесанных стеблей, картер, передающий вращение очесывающему устройству и жатке-косилке, наклонную камеру с транспортером, молотильно-сепарирующее устройство, бункер для семян и выгрузной шнек.
Очесывающее устройство гребенчатого типа, установлено на гидравлических пантографах для перемещения в вертикальной плоскости в зависимости от высоты стеблестоя и расположения на них семенных метелок для наибольшего захвата и гарантированного очеса стеблей.
Жатка-косилка — ротационного типа, расположена под очесывающим устройством. Имеет четыре вращающихся на осях в противоположном направлении барабана, состоящих из режущих и транспортирующих дисков. Сегменты режущих дисков оснащены напаянными твердосплавными пластинами для повышения износостойкости и долговечности при срезе волокнистых стеблей. Выбор жатки такого типа обусловлен необходимостью обеспечения высокой производительности уборки и скорости резания, исключения забивок, намоток на рабочие органы и вынужденных остановок.
Работа многофункционального агрегата осуществляется следующим образом (рис. 3).
При движении агрегата по полю очесывающее устройство, вынесенное вперед жатки-косилки, воздействует на верхушечную часть стеблей, при этом расположенные на них метелки с семенами попадают в зону вращения очесывающих гребенок. Стебли захватываются гребенками очесывающего устройства и протягиваются сквозь щели зубьев гребенок, освобождаясь от вороха. Очесанный ворох шнеком передается через приемную камеру на транспортер наклонной камеры и далее в молотильно-сепарирующее устройство для обмолота, а полученные семена проходят первичную очистку и поступают в бункер, из которого затем выгружаются в транспортное средство. Очесанные стебли разделяются на полосы делителями жатки-косилки, захватываются выступами транспортирующих дисков, срезаются в комлевой части режущими дисками, перемещаются к центру жатки-косилки комлями вперед, формируются в более плотный слой и укладываются в валок между колес энергосредства для дальнейшего приготовления тресты.
В качестве энергосредства для многофункционального агрегата предполагается использование отечественного зерноуборочного комбайна мощностью от 280 л. с. Адаптерами для сбора конопли послужит жатка очесывающего типа «ОЗОН» (производства ПАО «Пензмаш») с модернизированным очесывающим устройством, установленная на гидравлических пантографах для регулировки высоты очеса, а также жатка-косилка ротационного типа для среза очесанных стеблей и укладки в валок.
Разработанный способ позволит повысить: производительность уборки — до 30%, качество обмолота — до 95%, чистоту семян — до 50%, улучшить качество конопляной тресты до одного сортономера и получить первично очищенные семена, а также конопляную тресту для производства длинного пеньковолокна. Агрегат может применяться для различных технологий уборки технической конопли.
В ходе исследований проводилась оценка показателей качества работы адаптера для среза стеблей технической конопли (производства ООО «Комбайновый завод “Ростсельмаш”») в сравнении с уборкой конопли сегментной зерновой жаткой комбайна «Дон-1500Б» в реальных условиях агропредприятий в период уборки посевов. Характеристика культуры представлена в таблице 1.
Работа адаптера осуществлялась на базе кормоуборочного комбайна «Дон-680М», модернизированного для уборки технической конопли (разработка ООО «Комбайновый завод “Ростсельмаш”») (рис. 4).
При проведении исследований установлено, что ротационный режущий аппарат адаптера обеспечивает наиболее качественный срез стеблей технической конопли (независимо от их диаметра) без нарушения технологического процесса по сравнению с сегментным аппаратом зерновой жатки, где наблюдались частые забивки, намотки и вынужденные остановки. Агрегат работает на более высоких скоростях (до 10 км/ч), особенно на равномерном фоне, чем зерноуборочный комбайн (до 3 км/ч), тем самым повышается производительность работы до 5 га/ч, при этом забивки адаптера незначительны. Минимальная высота среза стеблей адаптером составила 150 мм, сегментной жаткой — 800 мм. Адаптер обеспечивает качественную уборку как низкорослой, так и высокорослой конопли. Сводные данные результатов исследований приведены в таблице 2.
Проведение исследований очесывающего устройства на технической конопле планируется в уборочный сезон 2023 года.
Выводы
В результате исследований разработан инновационный способ уборки технической конопли с очесом семян на корню и сохранением технической длины стебля. Предложена конструктивно-технологическая схема многофункционального агрегата для его осуществления, основанная на базе отечественного зерноуборочного комбайна, агрегатируемого с адаптерами для сбора семенной и стеблевой части конопли, что позволит получить первично очищенные семена, а также конопляную тресту для производства длинного пеньковолокна и костры. Исследования качества работы адаптера для среза стеблей в производственных условиях подтвердили явные преимущества разработанного технического решения в сравнении с традиционным способом уборки. Изготовление опытного образца многофункционального агрегата потребует проведения дополнительных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и организации производства.
Об авторах
Роман Анатольевич Ростовцев, доктор технических наук, член-корреспондент РАН, профессор РАН, директор, Федеральный научный центр лубяных культур, Комсомольский пр-т, д. 17/56, Тверь, 170041, Россия
r.rostovcev@fnclk.ru; https://orcid.org/0000-0003-0368-1035
Роман Андреевич Попов, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории агроинженерных технологий, Федеральный научный центр лубяных культур, Комсомольский пр-т, д. 17/56, Тверь, 170041, Россия
r.popov@fnclk.ru; https://orcid.org/0000-0002-9400-3530
Евгений Михайлович Пучков, кандидат экономических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории агроинженерных технологий, Федеральный научный центр лубяных культур, Комсомольский пр-т, д. 17/56, Тверь, 170041, Россия
e.puchkov@fnclk.ru; https://orcid.org/0000-0001-6852-5629
УДК633.522:631.352.5 DOI: 10.32634/0869-8155-2023-372-7-129-133
Сельское хозяйство, ветеринария, зоотехния, агрономия, агроинженерия, пищевые технологии
