Creating a domestic caterpillar tractor for modern agricultural production

Full Text

Введение Сегодня в РФ реализуется «Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 гг.», Указ Президента РФ № 350 от 21 июля 2016 г. «О мерах по реализации государственной научно-технической политики в интересах развития сельского хозяйства» и Стратегия развития сельскохозяйственного машиностроения России на период до 2030 г., где предусматривается развитие производства, селекции и семеноводства сельскохозяйственных культур. Данные мероприятия нацелены на разрешение следующих проблем: низкая производительности сельскохозяйственных работ; пониженной урожайности культур и высокой себестоимости производства сельхозпродукции. Незаменимыми для решения данных проблем являются универсальные и универсально-пропашные гусеничные тракторы класса 2…3. В СССР ежегодно выпускалось более 120 тыс. таких машин. Сегодня же в РФ практически утрачен опыт создания машин такого типа, т.к. ранее они производились в странах Совета экономической взаимопомощи. Имеющаяся в распоряжении отечественных сельхозтоваропроизводителей техника морально устарела и давно выработала ресурс. Так, с 1990 по 2015 г. количество гусеничных сельскохозяйственных тракторов класса 2 и 3 в отечественном парке снизилось с 45,70 до 0,16 тыс. ед. и с 338,30 до 3,88 тыс. ед., соответственно [1, 2]. Представленные на рынке зарубежные образцы имеют высокую стоимость и в полной мере не адаптированы к почвенно-климатическим условиям регионов РФ. Кроме того, отсутствует их надлежащее сервисное обслуживание. По данным Росстата и Минсельхоз РФ об основных показателях АПК, в 2015 г. количество тракторов уменьшилось в 6 раз (до 233 тыс. ед.); годовой спрос на тракторы сократился в 25 раз (до 7 тыс. ед.), загрузка по количеству операций, выполняемых одной машиной, выросла в 2,6 раза, спрос на тракторы превышает предложение в 2,5 раза (449 тыс. ед.), потребность в гусеничных тракторах - более 60 тыс. ед., потребность в тракторах класса 2 - более 200 тыс. ед. При этом выпуск гусеничных тракторов класса 2 в РФ отсутствует. Более того, при ежегодном увеличении площадей обработки пашни до 90 млн га и условии выполнения всех работ в агротехнические сроки к 2020 г. потребуется не менее 900 тыс. ед. тракторов класса 0,6...8. Наряду с энергонасыщенными тракторами крайне необходимы машины, способные работать в специфических условиях, в т.ч. зонах рискованного земледелия, характеризующихся повышенной влажностью и низкой несущей способностью почв, что требует снижения вредного воздействия ходовых систем машин на почву и корневую систему растений. Особенно это актуально при возделывании пропашных культур, риса, овощей, продукции садоводства и виноградарства. Цель исследования Целью исследования является разработка предпосылок создания отечественного универсального гусеничного трактора (УТ) класса 2…3 для нужд современного сельского хозяйства. Материалы и методы Для выявления потребности отечественных сельхозтоваропроизводителей в УТ проведен анализ сведений Минсельхоз РФ, Росстата и других источников с учетом тенденций развития мирового сельского хозяйства. При разработке предпосылок создания УТ проведен обзор и анализ зарубежного и отечественного опыта конструирования, расчета, испытаний и эксплуатации тракторов, их агрегатов и систем, в том числе и опыт авторов. Прототипом отечественного УТ можно считать универсально-пропашной трактор Т-70 класса 2 (его свекловичная и виноградниковая модификации) производства АО «ТЗ «TRACOM» (бывший «Кишиневский тракторный завод»). Предпосылки создания отечественного универсального гусеничного трактора Предполагаемый к созданию УТ в соответствии с общим определением [3] предназначен для выполнения работ общего назначения (предпосевная обработка почвы), посева и ухода за посевами. Однако при создании трактора необходимо предусматривать выполнение им и дополнительных операций в других сферах сельскохозяйственного производства, таких как: - растениеводство: возделывание и уборка низкорастущих культур, работа в садах, питомниках и виноградниках, опрыскивание, внесение удобрений и средств химизации; - животноводство: работа на животноводческих предприятиях и хозяйствах; - коммунальные и дорожные работы; - строительные и землеройные работы; - транспортные и погрузочно-разгрузочные работы. Применение гусеничного движителя на УТ обусловлено необходимостью работы в различных агрозонах и почвенно-климатических условиях РФ. Только гусеничный трактор может эффективно работать на весеннем закрытии влаги и подкормке растений, в рисовых чеках и уборке в весенне-осенний период, в садовых хозяйствах и виноградниках, не повреждая корни многолетних растений. УТ должен обладать следующими конкурентными преимуществами: - агрегатирование с широким спектром машин и орудий; - оптимальные габаритные характеристики, в том числе дорожный и агротехнический просвет от 460 мм и регулируемая в пределах 1350…2000 мм колея, применение гусениц различной ширины (200…400 мм), что обеспечит возможность работы в междурядьях 450…900 мм, а также в ограниченном пространстве; - минимальное давление на почву и корневую систему растений (до 60 кПа); - возможность движения по дорогам с усовершенствованным покрытием без его повреждения и разрушения; - улучшенная маневренность - радиус поворота вокруг центра масс машины; - экономичный и экологичный двигатель мощностью не более 100 л.с.; - возможность бесступенчатого регулирования скорости и тягового усилия; - диапазон скоростей 0…45 км/ч и тяговых усилий 0…25 кН; - улучшенная плавность хода машины и пониженная вибронагруженность; - эргономичное и комфортабельное рабочее пространство, соответствующее современным нормам безопасности и условиям труда оператора; - управление движением машины автомобильного типа; - возможность оснащения машины системами дистанционного и автономного (программного) управления. УТ должен отвечать современным тенденциям развития сельскохозяйственного машиностроения и производства, в том числе по своим узлам, агрегатам и системам. Поэтому при проектировании необходимо сделать упор на использование в конструкции сверхлегких и сверхпрочных полимерно-композитных материалов (ПКМ), оснащение навигационными, электронными системами и техническим зрением, переход на альтернативные виды топлив, комплектацию системами дистанционного и автономного (программного) управления, создание комплекса взаимозаменяемых робототехнических средств на базе трактора. Дизайн-проект перспективного трактора приведен на рис. 1. Предварительные технические характеристики модельного ряда перспективных тракторов приведены в табл. 1. Рис. 1. Дизайн-проект перспективного сельскохозяйственного трактора Силовая установка На тракторе-прототипе установлен рядный 4-цилиндровый дизельный двигатель (ДВС) Д-241 или Д-243 с непосредственным впрыском производства ОАО «ММЗ» мощностью 75 и 81 л.с., соответственно. При создании отечественно УТ возможно использовать подобный ДВС производства РФ или СНГ, в том числе с системой Common Rail. Выходные параметры ДВС необходимо подбирать в зависимости от расчетной максимальной массы УТ и перечня выполняемых технологических операций. Учитывая наличие тенденции к снижению массы УТ за счет упрощения механической части трансмиссии и применения в узлах и агрегатах УТ в целом сверхлегких и сверхпрочных ПКМ, ориентировочная мощность ДВС составит не более 100 л.с. Перспективным направлением в двигателестроении является мультитопливность или перевод ДВС на альтернативные виды топлива. Поэтому тракторные силовые установки целесообразно оснащать системами их адаптации для работы на альтернативных видах топлива. Образец такой системы, адаптирующей дизельный ДВС для работы на сжиженном углеводородном газе (СУГ) или газодизельной смеси по газодизельному процессу, разработан ФГБНУ ФНАЦ ВИМ. Общее устройство (рис. 2) и принцип работы системы, а также результаты стендовых испытаний на ДВС Д-243 приведены в работе [4]. Основными преимуществами системы адаптации ДВС для работы на СУГ являются: стоимость СУГ вдвое меньше по сравнению с дизельным топливом; экологичность газомоторного топлива. Расчеты показывают, что цена 1 кВтч энергии, полученного от использования СУГ, в 2,4 раза меньше по сравнению с дизельным топливом [5]. Более того, по прогнозу к 2030 г. в РФ в результате реализации программ по утилизации попутных нефтяных газов и освоения месторождений этаносодержащего газа объем производства СУГ может составить 30 млн т. Трансмиссия, гидропривод и система непосредственного управления Отличительной особенностью УТ должна быть высокая маневренность, плавность и точность маневрирования с целью вписываемости в границы защитных зон, а рабочих органов - в обрабатываемые области сельхозкультур. Механизмы поворота подавляющего большинства тракторов содержат бортовые фрикционы, растормаживая которые, происходит поворот машины [3]. Их недостатком является отсутствие плавности поворота и зависимость фиксированного радиуса поворота от рельефа опорной поверхности. Этим недостаткам в меньшей степени подвержены бесступенчатые гидрообъемные механизмы поворота. Они содержат регулируемый гидронасос, нерегулируемый гидромотор, арматуру и механическое дифференциальное звено, замыкающее на себе оба борта машины и позволяющее проводить рекуперацию мощности между ними при участии принудительного силового воздействия со стороны гидромотора [3]. Применение такой схемы требует усложнения конструкции заднего моста и повышения мощности ДВС. Достоинства и перспективы применения механических трансмиссий с комбинированными коробками передач отражены в ряде работ [3, 6, 7]. При явных преимуществах механических трансмиссий, в том числе высоком КПД, их применение на УТ ограничивается усложнением конструкции в виду применения рулевой колонки. Это потребует создания развитой гидросистемы управления трансмиссией, в том числе коробкой передач, механизмом поворота, а также их сервоприводами и усилителями. Рабочим вариантом для УТ может быть принята трансмиссия, включающая нормально замкнутое сцепление; двухдиапазонную коробку передач, обеспечивающую работу бортовых гидрообъемных передач (ГОП) в зонах наибольшего КПД; редуктор для согласования ДВС и ГОП; две бортовые ГОП, выполненные по раздельно агрегатной схеме, или гидрообъемные механические передачи (ГОМП); рабочую и стояночную тормозную систему; карданные передачи и двухступенчатые редукторы для привода валов отбора мощности. Причем валы отбора мощности предполагается вывести по одному на каждую сторону машины (фронтальный, задний и боковые) для возможности агрегатирования перспективного трактора с широким спектром машин и орудий. Получить полноценную трансмиссию предполагается за счет применения побортно полнопоточной ГОП или двухпоточной ГОМП [3, 7, 8], в том числе с отдельным потоком мощности на каждый борт. При этом за счет совместного управления гидромашинами каждого борта можно бесступенчато изменять скорость, тяговое усилие и направление движения УТ. Кроме того, это обеспечит минимальный радиус поворота машины - вокруг центра масс. Несмотря на низкий КПД ГОП, производительность трактора при прочих равных условиях повышается на 16…30 % [8]. ГОМП при тех же преимуществах позволяет сохранить уровень КПД в пределах 90 %. Вариант такой трансмиссии представлен на рис. 3. Рис. 3. Вариант гидрообъемной механической трансмиссии: 1 - входной вал с согласующим редуктором; 2 - регулируемый гидронасос; 3 - нерегулируемый гидромотор; 4 - суммирующий планетарный ряд с выходным валом Применение ДВС, адаптированного к работе на СУГ, позволит значительно снизить затраты на топливо, что позволит компенсировать низкий КПД ГОП. Ходовая и несущая система Для УТ целесообразно создание рамного остова, обеспечивающего возможность размещения на нем всех узлов, агрегатов и систем машины, а также разработка всесезонной и экологически безопасной гусеничной ходовой системы (ГХС), оснащенной резиноармированными гусеницами (РАГ), а также элементами гусеничного обвода на основе ПКМ. Вариант такой ГХС представлен на рис. 4. Применение РАГ в составе сельскохозяйственных тракторов обосновано полномасштабными эксплуатационными испытаниями трактора Агромаш-150 ТГ, включая тяговые испытания, исследования уровня шума, вибронагруженности и уплотняющего воздействия на почву [9, 10]. Достоинства ГХС с РАГ представлены в таблице 2, на рис. 5 и описаны в ряде работ [3, 9-14]. Важной отличительной особенностью перспективной ГХС является необходимость плавного изменения колеи до 2 000 мм за счет применения силового гидропривода, что позволит приспособить УТ под определенные междурядья в условиях эксплуатации. Также целесообразно использование РАГ различной ширины для работы в междурядьях различных культур. При проектировании ГХС с РАГ следует обратить внимание на узел привода, гусеничное зацепление в частности, т.к. существенные конструктивные различия РАГ и металлических серийных гусениц, такие как наличие продольной податливости и отсутствие шарнирных соединений, вызывают кинематическое несоответствие и нарушение работоспособности зацепления (вибрационные и ударные нагрузки, износ зубьев от трения скольжения) [13, 14]. Данная особенность характерна преимущественно для цевочного типа зацепления. В последнее время широкое распространение получают конструкции комбинированного, в частности гребнево-фрикционного зацепления с РАГ, где 20…30 % крутящего момента передается трением. Для обеспечения оптимального усилия предварительного статического натяжения РАГ и ее предохранения от многократных перегрузок в конструкции ГХС необходимо предусматривать амортизационно-натяжное устройство (АНУ). В настоящее время широкое распространение получают АНУ гидравлического или электрогидравлического типа с автоматизированной системой управления натяжением гусеницы [15]. Они позволяют создать и поддерживать оптимальную величину усилия предварительного статического натяжения индивидуально на каждом борту машины, поглощать толчки и удары при движении машины в зависимости от действующих силовых факторов, режимов работы и направления движения машины, а также от дорожных условий. Гидросистему АНУ наряду с приводом механизма изменения колеи целесообразно интегрировать в гидросистему машины. Улучшенной плавности хода возможно достичь за счет применения системы подрессоривания независимого (индивидуальной торсионной) или зависимого (балансирных кареток) типа с применением упругих элементов на основе ПКМ. При этом также необходимо обеспечить приспосабливаемость ГХС под рельеф местности. Кабина, условия труда, обшивка и оперение Установка рулевой колонки в УТ позволит наряду с плавностью поворота снизить утомляемость и обеспечить комфорт, присущий колесным тракторам. Более того, это позволит вынести всю информацию на приборную панель, не ухудшив обзорности кабины. Органы управления коробкой передач, клапанами гидрораспределителей навесного устройства и пр. следует вынести на приборную панель рулевой стойки, обеспечив удобство управления в процессе движения. Кабина должна иметь панорамный обзор. Сиденье оператора должно быть оснащено отдельной пневматической подвеской. Должны быть установлены все системы обеспечения комфорта, в т.ч. система климат-контроля. Результаты и обсуждение Создание УТ позволит обеспечить: - повышение производительности сельскохозяйственных работ в 2…3 раза; - увеличение урожайности культур в среднем на 15…35 %; - снижение себестоимости сельскохозяйственной продукции на 25…30 %; - повышение конкурентоспособности сельскохозяйственной продукции; - уменьшение расходов на закупку дополнительного оборудования, обслуживание и ремонт техники; - уменьшение вредного воздействия ходовых систем на почву и выбросов отработавших газов в атмосферу. В дальнейшем необходимо предусмотреть возможность установки систем дистанционного и автономного (программного) управления. При этом на сегодняшний день реально достичь уровня локализации производства на территории РФ до 65 %. Выводы УТ, помимо перечисленного, позволит обеспечить: - освоение отечественными сельхозтоваропроизводителями на промышленной основе с дальнейшим расширением производства овощных, пропашных и др. не возделываемых сегодня культур; - повысить конкурентоспособность сельскохозяйственной продукции по соотношению цена/качество; - уменьшить расходы на закупку дополнительного оборудования, на обслуживание и ремонт техники, а также на восстановление поврежденной экосистемы, в том числе репродуктивных свойств переуплотненной почвы; - отечественные крестьянские и фермерские хозяйства базовой машиной, адаптированной под их специфические нужды. К слову, концепция отечественного гусеничного трактора разрабатывалась еще в НАТИ с 1980-х годов и нашла свое отражение в работе К.И. Городецкого, В.Н. Шарипова, С.К. Муратова [16]. Настоящая работа выполнена в развитие данной концепции. Таблица ١ Технические характеристики модельного ряда перспективных тракторов Тяговый класс 0,6 (0,9) 1,4 2,0 Мощность двигателя, л.с. (кВт) 30…54 (22…40) 45…79 (33…58) 56…130 (41…94) Полная масса, кг 1500…2500 2500…3670 3670…5510 Максимальная транспортная скорость, км/ч до 30 до 40 до 45 Клиренс, мм от 460 от 460 от 460 Габаритные размеры (д/ш/в), мм 2200/1500/2200 3000/1550/2400 3500/1650/2600 Область применения Селекция и семеноводство Садоводство, виноградарство, овощеводство, животноводство Картофелеводство, свекловодство, работы общего назначения Рис. 2. Оборудование для адаптации дизельного двигателя к работе на сжиженном углеводородном газе: 1 - баллон газовый; 2 - клапан подачи газа; 3 - газовый редуктор-испаритель; 4 - газовый фильтр; 5 - датчик давления; 6 - датчик температуры; 7 - рампа с клапанами распределенной подачи; 8 - датчик детонации; 9 - датчик фазовой отметки газораспределительного механизма; 10 - датчик положения коленчатого вала; 11 - электронный блок управления; 12 - система рециркуляции отработавших газов с управляемой заслонкой; 13 - двигатель; 14 - топливный насос высокого давления с электронным управлением рейкой Рис. 4. Вариант гусеничной ходовой системы с резиноармированными гусеницами и элементами обвода на основе ПКМ: 1 - РАГ; 2 - узел привода с ведущим колесом; 3 - поддерживающий ролик в сборе; 4 - опорный каток в сборе; 5 - узел индивидуальной торсионной подвески в сборе; 6 - амортизационно-натяжное устройство в сборе; 7 - амортизатор подвески крайнего опорного катка; 8 - направляющее колесо с кривошипом в сборе Рис. 5. Сравнение эксплуатационных показателей трактора с РАГ и серийными металлическими гусеницами: а - уровень шума; б - уровень вибрации; ОМШ - гусеница с открытым металлическим шарниром; РМШ - гусеница с резинометаллическим шарниром; РАГ - резиноармированная гусеница Таблица ٢ Преимущества ГХС с РАГ Общие Для сельскохозяйственных тракторов и комбайнов Высокий ресурс и надежность (до ٦٠٠٠ моточасов) Равенство тяговых показателей машины с РАГ, в том числе КПД, в зоне номинальных тяговых усилий Низкий уровень шума и вибрации в эксплуатации Снижение уровня виброускорений на сидении оператора (ГОСТ 12.2.019-86) в ١,٨٦ раз Асфальтоходность Снижение вибронагруженности кабины при работе с тягой на крюке в ٢…٣ раза Малое уплотняющее воздействие на почву - повышенная проходимость Снижение уровня шума в кабине на ٤…١٦ дБА, что соответствует уровню шума трактора на стоянке. Снижение уровня шума вне кабины во всех полосах частот Возможность установки вместо звенчатых металлических гусениц РАГ без изменения конструкции ходовых систем Снижение уровня уплотняющего воздействия на почву по максимальному давлению (ГОСТ 26955-86) в среднем в ٢ раза. Возможность выхода машины в поле в условиях повышенной влажности

About the authors

V. M Sharipov

Moscow Polytechnic University

Email: trak@mami.ru
DSc in Engineering

A. Yu Izmaylov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: frs89@bk.ru
Academician of the Russian Academy of Sciences

A. S Dorokhov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: frs89@bk.ru
Corresponding member of the Russian Academy of Sciences

R. S Fedotkin

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: frs89@bk.ru
PhD in Engineering

V. A Kryuchkov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: frs89@bk.ru
PhD in Engineering

M. Yu Esenovskiy-Lashkov

Moscow Polytechnic University

Email: trak@mami.ru
PhD in Engineering

E. V Ovchinnikov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: frs89@bk.ru

References

Supplementary files