Несущие и технологические системы для построения сельскохозяйственных агрегатов

Полный текст

Введение Эффективное хозяйствование в условиях современных форм производства с.-х. продукции в сельскохозяйственных предприятиях (СХП) требует принятия ряда неотложных мероприятий, относящихся, прежде всего, к существенному укреплению и инновационному развитию как технологической, так и технической базы СХП. Это предполагает обеспечение возможности широкого применения прогрессивных технологий возделывания основных с.-х. культур в их техническом сопровождении высокоэффективными агрегатами на основе техники нового поколения. Такая техника должна представлять собой машины и агрегаты не только традиционного конструктивного исполнения, но, главным образом, базу для формирования перспективных составных с.-х. агрегатов - в виде их основных несущих и технологических систем. На практике в СХП уже нашли применение составные с.-х. агрегаты разного назначения, с разными принципами формирования, агрегатирования их несущих и основных технологических систем, а также конструктивного исполнения. Однако в уже имеющихся литературных публикациях недостаточно и неполно раскрыта, обобщена и систематизирована информация о разработке и использовании таких модульных энергетических средств (МЭС), универсальных энергетических средств (УЭС) и их аналогов. Цель исследования Цель исследования состоит в разработке аспектов построения с.-х. составных агрегатов из основных элементов - несущих (энергосредств) и технологических систем (сменяемых модулей-адаптеров) с позиций системного подхода, на основе изучения опыта использования таких агрегатов в СХП уже в виде реализованных конструкций и создания моделей машин перспективных концептуальных разработок и образцов, проектируемых в научных учреждениях и КБ промышленности. Материалы и методы На основе выполненных информационно-аналитических исследований приведены систематизированные материалы и сведения о применяемых и вновь составляемых агрегатах на базе несущих энергосредств и технологических сменных модулей-адаптеров, разрабатываемых для условий села. Показаны классификации составляющих элементов агрегатов - несущих и технологических систем, защищенность охранными документами используемых в агрегатах инновационных решений, раскрыты их основные преимущества и перспективы применения на селе. Оценка эффективности комплектования и функционирования разных составов машинно-тракторных парков (МТП) выполнена на примере моделей СХП зернопроизводящих регионов юга России с использованием разработанной во ВНИПТИ-МЭСХ - СКНИИМЭСХ и модернизированной математической модели и алгоритмно-про-граммного комплекса АСПТОР (автоматизированной системы проектирования технического оснащения растениеводства) по оптимизации составов МТП [1]. Технологические агрегаты в СХП комплектуются на базе имеющихся составов МТП из серийных тракторов, самоходных комбайнов и машин-орудий и из вновь поступающих агрегатов нового поколения, которые существенно выделяются своею универсальностью и новизной, конструктивным исполнением. Их основа - составные элементы, включающие несущие системы на основе мобильных или универсальных энергетических средств (МЭС или УЭС), и технологические системы в виде сменных модулей-адаптеров (СМ-А). Агрегаты нового поколения получили распространение в ряде стран Европы и представлены несколькими семействами с их моделями и модификациями. Это модели: УЭС семейства «ПОЛЕСЬЕ»-250/280; 290/450 (ОАО «Гомсель-маш», Беларусь); МЭС семейства «XERION»-3300/3800 (фирмы CLAAS, Германия), МЭС семейства «TERRA-VARIANT»-500/600 (фирмы HOLMER, Германия), а также проектируемые в научно-исследовательских учреждениях концептуальные разработки агрегатов модульного построения аналогичного назначения [2-9]. МЭС или УЭС преимущественно выполнены на колесном ходу. В составы технологических систем или СМ-А представленных семейств и моделей МЭС входят почвообрабатывающие машины-орудия, грузонесущие и распределяющие кузова или цистерны для зерна, свеклы и удобрений, кормоуборочные и зерноуборочные агрегаты и комплексы. Результаты и обсуждение Технологические и компоновочные схемы таких модульных агрегатов, аспекты формирования, исполнения их несущих и технологических систем, составных частей и механизмов систематизированы и классифицированы по ряду основных отличительных признаков и представлены на рис. 1 и 2. В материалах рисунков обобщены и систематизированы сведения о семействах и моделях МЭС, ранее реализованных на практике в СХП и разрабатываемых в научных организациях в новых концептуальных решениях. В сегмент классификации несущих систем вошли тракторы, самоходные шасси, МЭС и УЭС в основном на колесных ходовых шасси, освоенные в виде серийных машин, опытных образцов и перспективных разработок. Единым и объединяющим для рассмотренных агрегатов является принцип их формирования - модульное построение, сочетающее агрегатирование их несущих и технологических систем. В качестве основных несущих систем для агрегатов 3 < ш о По пиду выполняемых процессов По назначению модулей-адаптеров Транспортно-технологические Грузонесущие, грузораспределяющ ие, погрузочные и разгрузочные машины и .а X 3 < ш - зерноуборочный комбайн «Claas» к самох. шасси G-35-BM «ХУКЕПАК»; - зернуборочный (НК-4) и силосоуборочный (СКН-2,6) комбайны, кузов КС-3,5 и разбрасыватель удобрений РСШ-3,5 к самох. шасси CLU-75; - зерноуборочный комплекс (КЗР-10), кормоуборочные (К-Г-6; КНК-500; КПН-6Ф), свеклоуборочные (КСН-6-2М; АСУ-6) и картофелеуборочный (АКУ-4) комбайны, почвообрабатывающие агрегаты (ФРЗ,б...5,2; ПРЧ-4,5; КПР-9-14), посевные (МПТД-12; КА-6/8) машины и др. к УЭС- 250/280 «ПОЛЕСЬЕ»; цистерны для жидкого навоза ZUNHAMMER; разбрасыватель удобрений BERGMANN; бункера для свеклы и зерна HOLMER и другие орудия к МЭС <«TERRA VARIANT') 500/600 Рис. 2. Схема классификации сменных модулей-адаптеров (технологических систем) для несущих систем составных с.-х. агрегатов могут выступать как серийные колесные тракторы, так и МЭС или УЭС (см. рис. 1). Последний вариант значительно расширяет возможности и удобства при агрегатировании СМ-А и УЭС за счет соосного расположения и сопряжения между собой элементов конструкций несущей и технологической систем с образованием прямого потока прохождения убираемого продукта по рабочим органам СМ-А. Наличие механизма или устройства для замены СМ-А на несущем шасси (как на дополнительном шасси, так и в штатной комплектации на несущих шасси) позволит значительно упростить и сократить величину продолжительности составления или разъединения агрегата. Штатным механизмом замены СМ-А укомплектованы несущие системы МЭС «TERRA-VARIANT»-500/600 и разрабатываемое в ФГБНУ СКНИИМЭСХ - «АНЦ «Донской» (г. Зерноград Ростовской обл.) УЭС нового поколения. Остальные ранее неупомянутые марки и модели самоходных шасси: STEYR-8300 (выпускалось в Австрии); ДОН-800 и ES-1 (выпускались и выпускаются в России); М 100/150/200 (выпускались в Канаде); а также опытные образцы энергосредств (разрабатывались в ВИМ - СЭС-100 и во ВНИПТИМЭСХ -ЭС-80) более узкого предназначения - для применения в уборочных процессах на скашивании хлебов не только зерновых, но и других культур (в частности, кормовых) в качестве мобильных косилок и комбайнов. В классификацию технологических систем вошли СМ-А к несущим системам составных с.-х. агрегатов (см. рис. 2). Технологические системы по видам выполняемых процессов и назначению подразделены на чисто технологические, транспортно-технологические и уборочные СМ-А. По исполнению СМ-А представляют собой конкретные конструкции машин-орудий для обработки почвы, посева и ухода за посевами с.-х. культур, грузонесущих или грузораспределяющих машин и оборудования, зерноуборочных или кормоуборочных машин и комплексов. По агрегатированию СМ-А на шасси несущих систем они подразделяются на навесные, прицепные и монтируемые сверху на шасси несущих систем. В завершение в обеих классификациях приведены сведения по конкретным маркам моделей несущих систем (МЭС или УЭС) и технологических систем (СМ-А) составных с.-х. агрегатов модульного построения (как серийно освоенных машинах, опытных образцах и концептуальных разработках). В материалах табл. 1 представлена информация о патентной защищенности охранными документами (патентами) технических или технологических решений в конструкциях и компоновках составных с.-х. агрегатов на базе МЭС/УЭС и СМ-А. Здесь раскрыты сведения об использовании охранных документов по серийно освоенному зерноуборочному комплексу КЗР-10 на базе УЭС-250/280 «ПОЛЕСЬЕ», запатентованному зерноуборочному или кормо-уборочному комбайну на базе УЭС «XERION», концептуально разрабатываемым на перспективу: агрегатам модульного построения на базе УЭС нового поколения, а также агрегатам модульного построения на базе системы машин из безмоторных мобильных средств поочередного агрегатирования с одной силовой установкой [10-17]. Конструкции этих агрегатов и их составные части проиллюстрированы на рис. 3-6. Агрегат для уборки с.-х. культур (пат. RU № 2146083) (см. рис. 3) представляет собой составной агрегат из энергетического средства, переднего навесного модуля (убирающего блока) и заднего прицепного модуля (обрабатывающего блока), которые технологически связаны между собой боковыми перегрузочными транспортерами. Сопряжение энергетического средства с задним прицепным модулем и боковых перегрузочных транспортеров последнего и переднего навесного модуля выполнены в одной вертикальной плоскости, что обеспечивает возможность их поворота между собой в поперечном направлении относительно продольной оси всего агрегата. Эти новации позволят расширить функциональные возможности агрегата, повысить производительность и снизить потери убираемой культуры. Однако .а X 3 < ш DQ О X компоновка энергетического средства не обеспечивает монтаж на его шасси сверху СМ-А, а также прямой поток продвижения продуктов уборки по рабочим органам его модулей (или блоков), допускает неравномерное распределение полной нагрузки на колеса шасси и перегрузку моста несущих колес. С.-х. несущее транспортное средство (пат. RU № 2037284) (см. рис. 4) выполнено в составе шасси, навесного устройства, силовой установки, кабины водителя с механизмом ее перемещения и монтажа на одном из двух устройств на шасси, присоединяемого спереди уборочного агрегата и смонтированного сверху на шасси несущего средства обрабатывающего узла и установленных между ними двух наклонных конвейеров. Новации обеспечат возможность максимально быстрого и надежного переоборудования несущего средства для использования в различных целях с обеспечением хороших условий обзора оператору при работе на тракторе или на самоходных специальных уборочных машинах, например комбайнах и др. Однако конструктивное исполнение технологической части соединения навесного уборочного агрегата на несущем средстве и смонтированного сверху на нем обрабатывающего узла в виде двух наклонных конвейеров не обеспечивает реализации максимальной производительности всего уборочного агрегата в связи их недостаточными габаритами по ширине. Технические и технологические решения (группа пат. RU № 2431954, 2574479) представляют собой сочетание способов агрегатирования СМ-А с энергосредством и средство их осуществления (рис. 5, рис. 6, а, рис. 6, 6 и рис. 6, в). Согласно первому пат. № 2431954, способ осуществляется путем сочетания традиционных навешивания и присоединения к энергосредству СМ-А и блоков из них, а также отсоединения из блоков, по крайней мере, одного СМ-А и установки его сверху на раму энергосредства с помощью погрузочного устройства, реализующего несколько вариантов замены (установки и снятия) СМ-А. Средство для осуществления способа включает энергосредство в составе ходового шасси с рамой, поперечно перемещаемой на раме кабины управления, силовой установкой снизу рамы, навесных и прицепных устройств, приводов и коммуникаций для рабочих органов СМ-А, погрузочное устройство и сам набор СМ-А, навешиваемых и присоединяемых к раме энергосредства, а также устанавливаемых сверху на его раму. Конструкции погрузочных устройств могут быть разного исполнения (см. рис. 7). Согласно второму пат. № 2574479, энергосредство агрегатируется с набором из СМ-А, например, навешиваемой посредством наклонной камеры жатвенной части, устанавливаемых сверху на энергосредство технологическим обрабатывающим агрегатом или грузовым кузовом, а также прицепным накопителем-очистителем. Энергосредство состоит из ходового шасси с рамой, кабины управления, силовой установки с гидросистемой, навесного и прицепного устройств, приводов и коммуникаций для рабочих органов СМ-А, наклонной камеры с питающим транспортером, погрузочного устройства и самого набора СМ-А. Кабина управления установлена на раме энергосредства посредством устройства поперечного перемещения, поворотного - посредством гидропривода, что обеспечивает возможности расположения кабины управления на разных горизонтальных уровнях (см. рис. 5 и 6). Новации в технических решениях направлены на повышение эксплуатационных возможностей и характеристик энергосредства с агрегатируемыми СМ-А и позволяют эффективно осуществлять механизированные работы с существенным сокращением затрат труда и средств на их выполнение. Следующая группа технических и технологических решений (пат. RU № 2369077, 2461175, 2533043, 2533043) представляют собой совокупность систем безмоторных мобильных средств поочередного агрегатирования с одной силовой установкой для выполнения уборки с.-х. культур и других работ. Одна из систем (пат. № 2533043, см. рис. 7) включает, по крайней мере, два уборочных и одно транспортно-тяговое безмоторных мобильных средств, а также поочередно агрегатируемые с ними силовые установки и СМ-А. Безмоторные уборочные мобильные средства состоят из ходового шасси, рамы с технологическими рабочими органами для уборки 3 < ш о X .а X 3 < ш о X с.-х. культур, приводы которых выполнены гидравлическими и от электромоторов. Силовые установки выполнены из электромоторов с насосными станциями на раме каждого из уборочных и транспортно-тягового безмоторных мобильных средств и основной и резервной электростанций на прицепных шасси. Транс-портно-тяговое безмоторное мобильное средство состоит из ходового шасси, рамы с механизмом замены и разгрузки съемных кузовов и СМ-А, прицепных и навесных устройств. В состав системы входит широкий состав СМ-А, в том числе: погрузочный модуль с бульдозерной лопатой, универсальные кузова для транспортировки грузов, специализированные кузова для перевозки зерна, легковесных грузов, для поения и кормления животных в поле, для накопления и расхода кормов, семян, удобрений, трансформируемые кузова-контейнеры для культурно-бытового обслуживания работы персонала и сервисного сопровождения техники в полевых условиях, прицепные технологические адаптеры для разбрасывания удобрений, опрыскивания растений и раздачи кормов, а также почвообрабатывающие и посевные орудия. В целом новации направлены на значительное расширение области применения систем за счет увеличения разнообразия выполняемых ими работ. Однако широкое применение подобных компоновок и конструкций систем машин в СХП, по-видимому, найдет в далекой перспективе при условии освоения предприятиями с.-х. машиностроения необходимых комплектующих узлов и агрегатов. В результате проведения оптимизационных расчетов на моделях СХП в производственных подзонах зернопроизводящих регионов юга России оценены потребность в энергомашинах (тракторах, комбайнах и УЭС), а также уровни показателей эффективности использования разных составов МТП из агрегатов техники нового поколения (МЭС с комплектами СМ-А) по сравнению с базой (МТП из агрегатов серийной техники), которые приведены в табл. 2 и 3. В качестве моделей рассмотрены СХП с площадью пашни 5000 га на базе рекомендуемых типовых севооборотов с соответствующими составами МТП на базе агрегатов из техники нового поколения (новый) и серийной техники (базовый) для выполнения годовых объемов работ. Потребность в энергомашинах, на примере модели СХП южной подзоны Ростовской области, в новой комплектации МТП снижается в 1,5 раза - с 30 до 20 единиц (табл. 2). При этом новые агрегаты в составе 10 единиц УЭС с комплектами СМ-А на выполнении годового объема работ в вышеназванной модели СХП заменяют: полностью все тракторы марки Агромаш-90ТГ (5 единиц) - на почвообрабатывающих операциях (вспашка, лущение, дискование, посев и др.) и самоходные комбайны марок Acros (10 единиц) и Дон-680 (2 единицы) - на уборке зерновых и силосных культур, а также частично сокращают потребность в тракторах всех марок Беларус - с 13 до 10 единиц, применяемых на прикорневой подкормке, внесении и заделке гербицидов и др. Годовая загрузка единицы УЭС в модели СХП составляет 850 ч. Пиковая потребность в УЭС определяется на работах, выполняемых в период уборки зерновых колосовых культур. В первую очередь это относится к комбайновой уборке, на которой модульные агрегаты УЭС полностью заменяют традиционные зерноуборочные комбайны Acros, будучи в агрегате со специализированными зерноуборочными СМ-А. В то же время список операций, выполняемых в указанный уборочный период, включает (кроме уборочных, транспортных и стационарных) также и почвообрабатывающие операции, в том числе и лущение стерни, проводимое одновременно с уборкой зерновых. Для их реализации не вполне целесообразно иметь дополнительные единицы УЭС, а задействовать при этом на обработке почвы агрегаты на базе тракторов общего назначения с тяговым классом 20-30 кН (Беларус-1221, Беларус-1523). В другие рабочие периоды (сев озимых и яровых, осенняя вспашка и др.) вышеназванные свободные тракторы могут частично использоваться для выполнения соответствующих операций, поскольку стоимость выполнения единицы работ у таких агрегатов ниже из-за их меньшей балансовой стоимости, которая определяет величины амортизационных и ремонтных отчислений по агрегатам. В свою очередь, агрегаты на базе УЭС выполняют, например, основные объемы работ по осенней пахоте, а также другие энергоемкие работы. Кроме того, на операциях с малой энергоемкостью и незначительными объемами (погрузка и внесение удобрений, междурядные обработки пропашных и др.) целесообразно применять сравнительно маломощные, но от- носительно недорогие агрегаты на базе тракторов, в частности, универсально-пропашных класса тяги 1,4 (Беларус-952). При выполнении уборочных работ шасси УЭС агрегатируется со СМ-А по типу серийно выпускаемого комплекса КЗР-10 для уборки зерновых (в виде жатки для зерновых, наклонной камеры, МСУ, прицепного накопителя-очистителя зерна), с тем же комплексом на уборке кукурузы с обмолотом ее початков - с жаткой для кукурузы и с тем же комплексом на уборке подсолнечника - с жаткой для подсолнечника. При скашивании силосных и кормовых культур шасси УЭС агрегатируется со СМ-А по типу серийного комплекса К-Г-6 для уборки кормовых культур (в виде жатки для силосных и кормовых культур, наклонной камеры, изъмельчителя силосных и кормовых культур). При выполнении почвообрабатывающих и посевных операций, а также при уходе за посевами растений шасси УЭС агрегатиру-ется со специализированными СМ-А в виде прицепных и навесных с.-х. машин-орудий (М-О) соответствующего назначения или с их серийными аналогами. Оценка также показала, что величины уровней капитальных вложений в новые составы МТП в разрезе всех 11 моделей (см. табл. 3) СХП составляют от 0,709 до 0,825 от базовых значений, уровни которых приняты за 1,0. Величины эксплуатационных затрат по составам МТП в моделях также снижаются от базовых значений - с 0,794 до 0,876. При этом величины уровней ожидаемых чистых дисконтированных доходов увеличиваются с 1,318-2,107 до 5,432 от базовых значений. То есть применение МТП из агрегатов на базе техники нового поколения (МЭС с комплектами СМ-А) обеспечивает снижение затрат (капитальных вложений) на комплектование новых составов МТП со снижением затрат на их эксплуатацию, а также рост доходной части (ЧДД) от нового состава МТП. Выводы Технологические агрегаты в СХП комплектуются в основном на базе составов МТП из серийных энергомашин (тракторов, самоходных комбайнов) и машин-орудий, и поступающей техники нового поколения, которая существенно выделяется своей универсальностью и новизной конструктивного исполнения. Агрегаты нового поколения распространены в ряде стран Европы в виде ряда семейств и их моделей или модификаций. Это УЭС семейства «ПОЛЕСЬЕ»-250/280;290/450 (ОАО «Гомсель-маш», Беларусь); МЭС семейства «XERION»3300/3800 (фирмы CLAAS, Германия), МЭС семейства «TERRA-VARIANT»-500/600 (фирмы HOLMER, Германия), а также создаваемые в научно-исследовательских учреждениях аналогичные концептуальные разработки модульного построения. В составы технологических систем (исполнительных рабочих органов) к семействам МЭС могут входить СМ-А разного назначения. Выполненные по ряду основных отличительных признаков систематизации и классификации составных технологических и компоновочных схем модульных агрегатов по аспектам их построения, а также исполнения частей и механизмов позволили установить, что единым и объединяющим для рассмотренных составных агрегатов является принцип их формирования -модульное построение, сочетающее агрегатирование их несущих и технологических систем в единый агрегат. Несущие системы исполнены, как правило, на основе мобильных или универсальных энергетических средств (МЭС или УЭС), а технологические системы - в виде сменных модулей-адаптеров (СМ-А). Технические и технологические решения в конструкциях перспективных серийно освоенных и разрабатываемых моделей и образцов модульных агрегатов защищены рядом охранных документов. Технико-экономическая оценка подтвердила, что применение МТП на базе агрегатов из техники нового поколения (МЭС с комплектами СМ-А) обеспечит снижение потребности в энергомашинах и уровня затрат на комплектование новых составов МТП, их эксплуатацию и рост доходной части по МТП.

Об авторах

А. И Дмитренко

ФГБНУ «Аграрный научный центр «Донской», г. Зерноград, Россия

Email: burjanov 2015@yandex.ru
к.т.н.

А. И Бурьянов

ФГБНУ «Аграрный научный центр «Донской»

Email: burjanov 2015@yandex.ru
д.т.н.

Ю. О Горячев

ФГБНУ «Аграрный научный центр «Донской»

Email: burjanov 2015@yandex.ru
к.т.н.

Список литературы

Дополнительные файлы