Prospects for the development of undercarriage systems of modern mobile energy devices for agricultural purposes

Full Text

Введение В связи с бурным развитием техники и технологии уплотнение почвы достигает уровня, когда дальнейшее ее использование для выращивания культур становится невозможным [2]. Интенсивные механические обработки и многократные проходы агрегатов нарушают структуру почвы и увеличивают ее плотность. Нарушается и ухудшается водный и воздушный режим питания растений, что приводит к сокращению урожайности возделываемых культур. Установлено, что последние 40 лет удельное сопротивление почвы при обработке увеличилось в 1,25-1,4 раза [3]. При решении проблемы сохранения плодородия почвы и повышения эффективности посевных и уборочно-транспортных комплексов немаловажную роль играет конструкция ходовых систем мобильной сельскохозяйственной техники и создание специальных опорно-движительных устройств, позволяющих уменьшить давление машин на почву. Применяются пневмогусеницы, сдвоенные или строенные колеса, широкопрофильные пневматические шины с регулируемым давление воздуха, системы полугусеничного хода, резино-армированные гусеницы (РАГ) и торсионная подвеска на гусеничных мобильных энергосредствах [4]. Цель исследования Анализ самых перспективных конструкций ходовой системы мобильной сельскохозяйственной техники, которая может уменьшить удельное давление на грунт, улучшить проходимость сельскохозяйственной техники и обеспечить более комфортную высадку и сбор урожая. Результаты анализа и обсуждение При разработке и создании ходовых систем раньше больше применялись полигонные, стендовые и полевые испытания. В связи с развитием методов математического моделирования и появлением высокопроизводительного программного обеспечения процесс разработки и создания ходовых систем стал менее трудоемким, но более наукоемким. Большой объем работы на стадии проектирования, производства и доводки конструкции можем выполнять с помощью компьютерных и имитационных моделей. Так, определение упруго-демпфирующих характеристик, определение напряженно деформированного состояния, оценку долговечности, прочности элементов конструкции, а также моделирование работ под нагрузкой и оценка функциональных свойств возможно провести с помощью расчетных адекватных моделей. Особенно широкое распространение при решении этих задач получило применение методов конечных элементов и расчетных программных комплексах MatLAB Simulink, MSC Adams и др. [5-7]. Для особых условий работы, таких как, заболоченная местность, пойма реки, применяют полугусеничный ход, который позволяет увеличить площадь контакта и сцепление движителей с почвой. Полугусеничный ход успешно прошел испытания в Амурской области в 2011 году. В.И. Гоменюк выявил, что с повышением тягового сопротивления с 12 до 14 кН у трактора МТЗ-80 на полугусеничном ходу величина буксования возросла с 6,0 до 10,5 %. У серийного трактора МТЗ-80 на колесном ходу рост буксования составил от 14 до 36 %. Сравнивая величину буксования у трактора на полугусеничном ходу и серийном при одном и том же тяговом усилии, отмечается, что у трактора на полугусеничном ходу она меньше и приближается к буксованию гусеничного трактора [8]. В ходе испытаний выявилась перспектива улучшения функционально-экологической эффективности и колесных тракторов за счет использования на них сменного колесно-гусеничного хода, что обеспечивает им значительное снижение воздействия (максимального давления и буксования) на почву и резкое повышение тягово-сцепных свойств без потери своей мобильности. В экспериментальном исследовании С.И. Камбулов использовал машинно-тракторные агрегаты (МТА) на базе колесного трактора К-701, оборудованные сменными гусеничными движителями, и подтвердил щадящее воздействие этого движителя на почву. Он выявил уменьшение общей площади уплотнения почвы на 13 %, уменьшение глубины колеи на 35 % и снижение степени уплотнения почвы на 17-46 %. Экономический эффект от установки сменного гусеничного движителя равен 12,8-34,5 руб./га, в зависимости от объемов работ [9]. Если говорить о колесных мобильных энергосредствах, увеличение площади контакта может достигаться при применении сдвоенных и строенных ведущих колес. Пневматические шины на влажных, рыхлых и заснеженных грунтах не развивают должного сцепления, т.е. буксуют. В результате происходит уменьшение силы тяги и скорость, проходимость трактора ухудшается, а также возрастают потери мощности на передвижение, и снижается экономичность работы трактора. Одним из примеров успешного применения сдвоенных шин является трактор МТЗ-80. Колеса с аграрными шинами 12-38 на стерне суглинка развивает тяговое усилие на 20 % большее и имеет на 40 % меньшую глубину колеи, чем на одинарных шинах [10]. В работе Г.А. Окунева был произведен расчет технико-экономических показателей использования на тракторе ХТЗ-150К-09 одинарных и сдвоенных шин. Он показал, что использование сдвоенных колес на тракторе ХТЗ-150К-09 позволяет реализовать потенциальные возможности посевного агрегата и повысить производительность выполнения данной технологической операции на 11,4 % в сравнении с его использованием на одинарных колесах. Внедрялись широкопрофильные шины с возможностью регулировки внутреннего давления. Внутреннее давление в шине можно изменять в широком интервале в зависимости от условий эксплуатации. Особенностью конструкции является высокая эластичность и прочность связи между элементами покрышки. Для преодоления труднопроходимых участков пути давление в шинах снижают до 0,05 МПА, а затем при движении по обычной дороге повышают до требуемого. В результате проходимость повышается благодаря увеличению площади контакта поверхности покрышки с грунтом. Установка шин сверхнизкого давления дает возможность изменять давление воздуха в определенных пределах. Понижение давления воздуха в шинах при движении по почвам с низкой несущей способностью значительно уменьшает давление на почву и повышает проходимость МЭС. Были произведены исследования, на примере универсально-пропашного колесного трактора тягового класса 1,4 (Беларус 82.1) с установленными шинами сверхнизкого давления. Результатами исследования оказалось, что при нагрузке на колесо 2,45 кН продольные и поперечные эпюры распределения давления в пятне контакта имеют седловидную форму (рис. 1) а б Рис. 1. Расчетные значения распределение давления в пятне контакта шины при нагрузке 2,45 кН: а - продольные; б - поперечные Результаты, приведенные на рис. 2, показывают, что снижение давления воздуха в шине при нагрузке 4,41 кН приводит к тому, что максимальные контактные давления смещаются от центра к периферии пятна контакта, при этом данный эффект наиболее ярко проявляется при давлении воздуха 10 кПа. С повышением давления и нагрузки эпюры принимают клинообразный вид, о чем наглядно свидетельствуют результаты исследований, приведенные на рис. 3. Проанализировав полученные данные, можно сказать, что при нагрузке на колесо 2,5 кН их величина меньше нижнего порога несущей способности почвы и не превышает 40 кПа. При нагрузке на колесо 4,41 кН условие по обеспечению проходимости соблюдается при давлении воздуха в шине не более 40 кПа, а при давлениях воздуха в шине 50-60 кПа максимальные контактные давления превышают верхний порог несущей способности почвы повышенной влажности, равный 50 кПа. Опорная проходимость для МЭС обеспечивается при нагрузке на колесо 2,5 кН и давлении воздуха в шинах 10-20 кПа, а при нагрузке 4,41 кН - лишь при давлениях воздуха 10-40 кПа. Из сказанного следует, что для обеспечения опорной проходимости по почвам с низкой несущей способностью целесообразно использовать шины, рассчитанные на заданную нагрузку и малых давлениях воздуха. Стремление совместить положительные качества гусеницы и пневмоколесного движителя привело к созданию пневмогусеницы. Она сочетает в себе такие достоинства, как пониженное давления на опорную поверхность, высокую проходимость и демпфирующие свойства [11]. Пневмогусеницы делятся на однополостные и многополостные. Однополостные пневматические гусеницы представляют собой одну или несколько замкнутых торообразных оболочек. Главное достоинство конструкции - равномерное распределение давлений на опорную поверхность по длине. Максимальное давления, оказываемое на опорную поверхность и неравномерность его распределения, у транспортных средств (ТС) на пневмогусеничных движителях существенно меньше, чем у ТС на металлических гусеницах [11]. Недостатком однополостной пневматической гусеницы является высокая способность к быстрому затуханию собственных колебаний, склонность к спаданию, ограничение ресурса износом гусеницы при эксплуатации на грунтах с выраженными абразивными свойствами и сложность изготовления. Многополосные же пневмогусеницы представляют собой сумму резинокордных пневмотраков, которые закреплены на гусеничной цепи. Например, распределение давлений на опорную поверхность по длине у транспортера ГАЗ-47-ПГ по сравнению с ГАЗ-47 меньше в 1,6-1,9 раза. С пневмогусеницами коэффициент сопротивления движению, а также глубина колеи машины на снежной целине по сравнению с обычной гусеничной машиной меньше в 1,2-1,5 раза. В последние годы популярность приобретает сельскохозяйственная техника на гибридных резиноармированных платформах. Она объединяет в себе преимущества колесных и гусеничных движителей, открывая новые возможности. Применение РАГ позволяет увеличить ресурс гусениц в 4-5 раз по сравнению с металозвенчатыми, снизить вибрационную нагруженность и работать в условиях повышенной влажности. Кроме этого, появляется возможность развивать более высокие скорости на транспортных работах и на дорогах с улучшенным покрытием. Достоинства РАГ: снижение внешнего шума и улучшение условий труда в кабине оператора, снижение техногенного воздействие на почву, степени ее уплотнения, повышение производительности, улучшение тягово-сцепные свойств и уменьшение величины буксования. Кроме того, они обладают хорошей самоочищаемостью от грязи при любой влажности, и формы грунтозацепов выполнены таких образом, что сползание трактора при работе на косогорах исключается [10]. С 2011 года налажен серийный выпуск гусеничных комбайнов КЗС-812С «Амур-Палессе» (рис. 4) на машиностроительном заводе «Кранспецбурмаш», г. Шимановска Амурской области. Рис. 4. Комбайн зерноуборочный с резиноармированной гусеницей КЗС-812С «Амур-Палессе» Вышедший на рынок Агромаш ВТ 90ТГ оснащенный резиноармированной гусеницей, может похвастаться хорошим сцеплением с грунтом и любым типом дорожного покрытия. Важной особенностью трактора является универсальность по отношению к используемым гусеницам. Для сельского хозяйства наиболее предпочтительны упомянутые резиноармированные гусеницы. Для работы в карьерах или на строительных объектах их можно заменить традиционными металлическими, для выполнения работ на чрезмерно влажной или заболоченной почве - специальными болотоходными гусеницами. На Западе перспективным и уже выпущенным на рынок являются движители типа колесо - гусеница. Данный тип движителя имеет форму резиновой треугольной гусеницы и монтируется вместо колеса [13]. Среди зарубежных производители известные такие как: итальянская фирма POOLUZZI TRACK SISTEM; канадская фирма SOUCY-TRACK (рис. 5); голландская фирма Zuidberg Tracks B.V. Отечественные разработки с применением таких гусениц, преимущественно для рисоуборочных и кормоуборочных комбайнов, изготавливаются на заводе ЗАО ПО «Дальсельмаш» для комбайнов Енисей -1200Р и резиноармированных гусениц ШПР для всех модификаций комбайнов производства Красноярского завода. Работы по изучению применения резиноармированных гусениц фирмы Bridgstone на тракторах и комбайнах типа «Енисей 1200Р» и «Кедр» начались в 1988 году в НПО «НАТИ» и ГСКБ по машинам для зоны Дальнего Востока (М.В. Канделя, В.Л. Земляк). Также можно отметить появление колесных тракторов «Кировец» К-744Р1-К-744Р4, опционально имеющих возможность применения съемной гусеничной ходовой системы (рис. 2). Петербургским тракторным заводом разработан новый колесный трактор К-4 тягового класса 3-4. Главными условиями, которые должны соблюдаться для гусеничного движителя являются: обеспечение возможности изменения площади контакта с опорной поверхностью, и, если гусеничный движитель разрабатывается для автомобиля, то он не должен создавать в системах автомобиля нагрузки, превышающие установленные заводом изготовителем. В патенте ФГБНУ ФНАЦ ВИМ [14] выполняются оба вышеперечисленных условий. Схема гусеничной тележки треугольной формы (рис. 6), опирающейся на четыре опорных катка, которые объединены в два независимых балансира и независимо подвешенных к несущей траверсе посредством пневмоподвески с возможностью трансформирования. Трансформироваться может из треугольной формы гусеничного обвода с опорой на четыре катка в пятиугольную при опоре на два катка. Уменьшенная величина площади пятна контакта с опорной поверхностью составляет 0,42 от нормального значения. Данная конструкция позволит повысить производительность и снизить эксплуатационные затраты за счет уменьшения сопротивления качению гусеничного движителя по твердой опорной поверхности и уменьшить сопротивление повороту гусеницы при образовании колеи на слабо несущей опорной поверхности. Полугусеничное шасси монтировались на комбайны серии «Енисей 950» всех модификаций производства Красноярского завода, «Енисей-1200НМ, «Вектор 410» и «Нива» (Ростсельмаш), КЗС-812 «Палессе» (Гомсельмаш), на комбайны John Deere 3316 китайского производства, МТЗ-82 «Беларусь», Т-150К (ХТЗ), К-701 «Кировец». Комплект гусеничных блоков монтируется вместо ведущих колес (базовых) на штатный мост и таким образом формируется сменное полугусеничное шасси ШПР. Шасси может быть смонтировано практически на любой зерноуборочный комбайн российского или зарубежного производства с использованием проставок и кронштейнов. По итогам государственных приемочных испытаниях на Амурской МИС (с. Зеленый бор, Михайловский район) было выявлено, что ШПР легко монтируется на комбайн взамен пневматических колес и хорошо выполняет технологический процесс при уборке сои благодаря мягкому ходу, который обеспечивает устойчивую работы жатки и достижения более низкого среза [15]. Многочисленные исследования полевых транспортно-технологических процессов, например приведенные в работе [16] свидетельствуют об очевидном преимуществе грузовых автомобилей в сравнении тракторным транспортом. При этом уплотняющее воздействие на почву широкопрофильных автомобильных колес повышенной проходимости такое же, что у тракторов и прицепов. Поэтому при переходе на гусеничный движитель автомобиль увеличит свое преимущество, поскольку, с одной стороны, не требуется дополнительных гусениц на прицеп, а в составе автопоезда будет иметься более высокий тяговый КПД по сравнению с тракторным поездом за счет того, что весь груз в кузове автомобиля приходится на ведущие колеса и участвует в создании тягового усилия. На рис. 7 представлен общий вид справа колесного транспортного средства со сменным гусеничным движителем, установленным на передний и задний ведущие мосты. На рис. 8 показана разработанная трехмерная модель сельскохозяйственной гусеничной ходовой системы (СГХС). В настоящее время еще одним перспективным направлением является применение на гусеничных тракторах индивидуальных торсионных подвесок опорных катков. Торсионная подвеска - тип подвески, основным элементом которой является металлический стержень цилиндрической формы (торсион). Этот элемент обладает большой упругостью и пружинит при скручивающих воздействиях. Торсион выдерживает феноменальные механические нагрузки, отлично сопротивляется большим крутящим напряжениям и практически не подвержен деформации при больших углах закручивания. Торсионные стержни бывают круглыми или квадратными в сечении, могут быть наборными (из нескольких металлических пластин) [17]. В 2014 году заводом ХТЗ (Белгород), была разработана и применена новая торсионно-балансирная подвеска взамен подвески тракторов Т-150 и ХТЗ-181. На каретке расположены два опорных катка, которые через кованные стальные рычаги с приваренными цапфами скручивают один общий торсион с разных сторон. На малых тракторах подвеска мягкая и гасит высокочастотные колебания и вибрации, при увеличенной нагрузке торсион блокируется упорами цапф и каретка работает как балансирная, без упругого элемента. Одно из достоинств торсионов в том, что они защищены от грязи лучше, чем пружины. Каретки по бортам и имеют одинаковый торсион, в отличие от применявшихся на ХТЗ-181 правых и левых торсионов дополнительных катков. На тракторах Т-150 (рис. 9, а) устанавливается четыре катка, которые объединены в 2 каретки, а на тракторах ХТЗ-181 (рис. 9, б) - шесть катков по три каретки на борт. Преимущества новой торсионно-балансирной подвески позволили повысить надежность и долговечность ходовых систем гусеничных тракторов ХТЗ, а также создать ходовую систему для гусеничного бульдозера класса 5-6 тонн. Значительно повышена навесоспособность гусеничных тракторов, что позволяет работать с тяжелыми оборотными плугами. Подрессоривание катков на эластичном торсионе позволяет снизить вибрации на рабочем месте оператора, вызываемые неровностями рельефа и перематыванием гусениц, а балансирная подвеска обеспечивает точное копирование поверхности и полное сцепление всей опорной поверхности гусеницы с почвой, что улучшает тягу. Увеличение числа катков до шести снижает пиковые давления на почву, что важно для сельскохозяйственных тракторов [18]. Также И.П. Трояновская и С.П. Пожидаев провели исследование [19], целью которого являлась оценка плавности хода гусеничного трактора Т-150 с балансирной и торсионной подвеской. Измерения вибрации проводили при выполнении тракторами вспашки с плугами ПЛН-4-35 на первой и четвертой передачах (скорость 6,5 и 10 км/ч, соответственно) в условиях хозяйства «Весело-Полянское» Семеновского района Полтавской области Украины. По итогам проведенного исследования был сделал вывод, что во время транспортных переездов трактора Т-150 с навесным плугом ПЛН-4-35 торсионная подвеска во всем диапазоне частот обеспечивает существенно лучшую плавность хода (виброускорения пола кабины меньше на 5-10 дБ), чем балансирная. При выполнении пахоты торсионная подвеска снижает уровень низкочастотных виброускорений пола кабины на 2-7 дБ в диапазоне частот от 0,5 до 4-5 Гц. На частотах, превышающих 8-12 Гц, уровень виброускорений пола кабины трактора практически не зависит от типа подвески. Вывод Мировые тренды развития и научно-технические решения проблемы переуплотнения почвы движителями сельскохозяйственной техники и экологической безопасности почвенно-растительного покрова - это дальнейшее создание и развитие автоматического регулирования в шинах в зависимости от состояния почвенного фона, но без участия оператора, а также дальнейшее усовершенствование движителя в виде колесо - гусеница, разработка новых конструкций независимой торсионной подвески и усовершенствование конструкции резиноармированной гусеницы. Создание и производство резиноармированных гусениц решает проблему увеличения парка гусеничных сельскохозяйственных тракторов, что позволяет оптимизировать количественное соотношение колесных и гусеничных тракторов с учетом природных почвенно-климатических условий и производственной направленности сельхозхозяйств. Применение методов математического моделирования позволяет с высокой достоверностью на стадии проектирования расчетно-теоретическим методом определить инерционно-упруго-демпфирующие характеристики, напряженно деформированного состояния, прочности и долговечности элементов конструкции ходовых систем. Одним из перспективных направлений создания эффективных ходовых систем-машин, как колесных так и гусеничных, является применение адаптивной системы регулирования их упруго-демпфирующих характеристик (регулирование натяжения гусеницы, давления в шинах в режиме реального времени) в зависимости от профиля опорной поверхности. Рис. 2. Расчетные значения продольных эпюр распределения давлений в пятне контакта шины при нагрузке 4,41 кН Рис. 3. Расчетные значения поперечных эпюр распределение давления в пятне контакта шины при нагрузке 4,41 кН Рис. 5. Гусеничный ход от SOUCY-TRACK Рис. 6. Изменение профиля гусеничного обвода движителя L2/L1~0,42 Рис. 7. Сменный гусеничный движитель колесного транспортного средства Рис. 8. Изометрическое представление трехмерной модели СГХС а б Рис. 9. Тракторы: а - Т-150, б - ХТЗ-181

About the authors

Z. A Godzhaev

Federal State Budgetary Institution «Federal Scientific Agro-Engineering Center VIM»

Email: fic51@mail.ru
DSc in Engineering

A. M Pogozhina

Federal State Budgetary Institution «Federal Scientific Agro-Engineering Center VIM»

Email: fic51@mail.ru

References

Supplementary files