Повышение тяговых качеств тракторов

опубликовано в журнале: AgroONE №-9
3 января 2017 г.

40

Статьи Техника Повышение тяговых качеств тракторов

Рынок предлагает множество моделей тракторов разных конструкций. Какую технику выбрать? Такую, как у соседа? А если и он ошибся? А деньги будут потрачены, и немалые.
С увеличением количества предложений увеличивается шанс приобрести новый трактор, который не будет отвечать перспективной концепции машиноиспользования и, соответственно, не впишется в новые технологии. Таким образом, на сегодня особенно остро стоит вопрос прогнозирования направлений развития техники и технологии сельскохозяйственного производства с целью предвидения потребностей завтрашнего дня.

Перспективу развития технической концепции сельскохозяйственного трактора следует прогнозировать, опираясь прежде всего на развитие технологий сельскохозяйственного производства и совершенствования машинно-тракторных агрегатов (МТА) в целом.

На первом этапе применения трактора соотношения между энергетической (трактор) и технологической (сельскохозяйственная машина) частями машинно-тракторного агрегата характеризовалось значительно большей массой трактора. По мере развития машинных технологий выращивания сельскохозяйственных культур, повышение массы технологической части МТА опережает повышение массы трактора.

С применением комбинированных агрегатов масса технологической части агрегата, который навешивается на трактор, сравнивается с массой энергетической. Экстраполируя эту зависимость, можно допустить, что в будущем масса технологической части агрегата будет превосходить массу энергетическую.

Анализ технологических и агротехнических факторов, которые определяют концепцию трактора показывает, что их требования противоречивы, потому стремление повысить одни свойства приводит к снижению других. Так, основные требования: повышение производительности и энергонасыщенности МТА, сокращение количества механизаторов могут быть реализованы только в результате повышения мощности двигателя и увеличения силы тяги, которая требует повышения веса трактора. Химизация технологических процессов и применение навесных комбинированных агрегатов также ведут к повышению веса агрегата и, соответственно, увеличения нагрузки на колеса трактора.

Агротехнические требования к ходовым частям мобильных сельскохозяйственных агрегатов заключаются, в первую очередь, в снижении давления движителей на почву, применении узких ходовых систем, которые хорошо вписываются в междурядье пропашных культур, уменьшении числа проходов по полю.

Противоречие требований агротехники и развития функциональных свойств трактора тяговой концепции достигло критического состояния и создает объективные трудности в дальнейшем при совершенствовании их параметров, поскольку нельзя уступить одними требованиями в интересах других. Это можно проиллюстрировать следующими примерами.
Предельная суммарная грузоподъемность четырех шин, которые вписываются в междурядье пропашных культур, отвечает приблизительно 60…70 кН при агротехническом допустимом давлении воздуха в них 0,1 МПа, а эксплуатационный вес универсально пропашных тракторов с двигателями мощностью 110 кВт из условий обеспечения надежности равняется приблизительно 55 кН. Вес, который навешиваются сельскохозяйственными машинами и емкостей с технологическим материалом для эффективного использования такого трактора также составляет около 30…40 кН. Следовательно, суммарный вес навесного комбинированного агрегата может составлять около 100 кН.

Таким образом, грузоподъемность колес трактора значительно ниже необходимой. Поскольку наблюдается тенденция к увеличению веса технологической части агрегата, то давление движителей на почву будет повышаться, а агротехнические свойства МТА ухудшаться.

Нагрузка на почву колесных тракторов общего назначения тягового класса 5 и 6 достигла предельного значения и существенно ограничивает их применение на ряду операций, для выполнения которых они предназначены. Последующее повышение мощности трактора такого типа в рамках тяговой концепции невозможно, поскольку требует увеличения его эксплуатационного веса, который, в свою очередь, ведет к превышению осевой нагрузки, регламентированной стандартами даже на дорогах с твердым покрытием.

Современный трактор-тягач (тяговой концепции) характеризуется твердой параметрической зависимостью между его весом и мощностью двигателя. Строгость этой зависимости обусловлена необходимостью реализации мощности двигателя только через силу тяги и в ограниченном (агротехническими требованиями) диапазоне скоростей. Если мощность двигателя будет превышать соответствующее ей значение веса трактора, то она не будет реализована на большинстве сельскохозяйственных операций через ограничение по технологическим скоростям. При отклонении мощности в другую сторону, трактор будет работать со сниженными скоростями вследствие ее недостатка и МТА не будет иметь потенциально возможной производительности. Соотношение между весом трактора и мощностью его двигателя должно быть постоянным для достигнутого технологического уровня рабочих скоростей МТА.

За последние полвека наблюдается зависимость, которая характеризует пропорционально повышение энергонасыщенности (приблизительно вдвое) и повышение скорости, с которой работают тракторы в агрегате с соответствующими орудиями. Но техническая концепция трактора при этом сохранилась предыдущая – он остался тягачом.

В связи с тем, что рабочие скорости МТА достигли технологического предела и существенно повышаться не будут, удельная материалоемкость (величина, обратная энергонасыщенности) трактора тяговой концепции также будет оставаться приблизительно на достигнутом уровне. Это значит, что в конструкции трактора не будет реализовываться одно из основных направлений технического прогресса в машиностроении – снижение удельной массы.

Наряду с этим, по мере развития и усовершенствования технологических процессов в сельском хозяйстве, масса технологической части агрегата неуклонно растет, поскольку с ней в определенной взаимосвязи находится производительность МТА. Чем больше эта масса, тем большую мощность двигателя можно реализовать через движитель, а, соответственно, повысить производительность МТА.

В последнее время наблюдается повышение энергонасыщенности тракторов. Но всегда ли будет использован запас мощности? Исследования указывают, что чем больше энергонасыщенность трактора превышает величину, оптимальную для трактора-тягача, тем более отмечается несогласованность между диапазоном силы тяги трактора и диапазоном достигнутых технологических скоростей, тем менее экономичной по расходу топлива будет работа такой машины при более высокой стоимости ее двигателя.

Практически складывается ситуация, когда при покупке повышенной по энергонасыщенности машины оплачивают избыток мощности двигателя, который не будет использован без применения специальных приемов при агрегатировании, но постоянно будет служить причиной повышенного расхода топлива.

Противоречие между необходимостью снижения веса трактора и сохранением его тягово-сцепных свойств можно устранить, если в качестве сцепной использовать вес всего агрегата, включая технологическую часть, а не только вес трактора. Рассмотрим разные схемы агрегатирования и выделим те из них, которые наилучшим образом удовлетворяют решение поставленной проблемы.

Известны три варианта соединения энергетической и технологической частей МТА: прицепной, полунавесной и навесной. Для современных широкозахватных МТА характерные первые два варианта.

Технологическую часть МТА создают на базе прицепной или полунавесной сцепки и, соответственно, прицепных или навесных узкозахватных секций сельскохозяйственных орудий. В отличие от прицепных, полунавесные сцепки частью собственного веса догружают ходовую систему трактора.

Увеличение удельной материалоемкости несущего бруса (или рамы), сцепки или сельскохозяйственной машины с ростом ширины захвата технологической части приводит к соответствующему повышению сопротивления качения ее опорных колес. Наиболее ощутимо это для прицепной широкозахватной технологической части, поскольку вся масса ее несущей рамы транспортируется опорными колесами. С целью снижения расходов энергии, часть массы несущей рамы технологической части МТА целесообразно транспортировать ходовой системой трактора, который имеет меньшие удельные потери энергии на качение по сравнению с опорными колесами технологической части агрегата (последние имеют, как правило, меньший диаметр и большее давление воздуха в шинах, чем колеса трактора). Это можно реализовать при полунавесной технологической части МТА. Поскольку часть веса полунавесной сцепки или машины догружает ходовую систему трактора, то создается потенциальная возможность для уменьшения на соответствующую величину эксплуатационного веса трактора.

Так, например, в широкозахватном МТА на основе полунавесной сцепки в рабочем режиме движения при поднятом транспортном опорном колесе до 75 % весы этой сцепки и навешенных на нее машин, догружают ходовую систему трактора через задний навесной механизм.

При анализе зависимостей удельной материалоемкости технологической части сцепных и бессцепных пропашных и посевных МТА от ширины захвата просматривается зависимость, что меньшую удельную материалоемкость имеет технологическая часть МТА с полунавесной сцепкой и узкозахватными навесными секциями сельскохозяйственных орудий. Это объясняется использованием в качестве элемента несущей рамы технологической части остовая трактора, которая облегчает сцепную (на основе полунавесной сцепки) технологическую часть по сравнению с бессцепной.

Лучшими возможностями по балластированию ходовой системы трактора имеют варианты полунавесной технологической части, когда сила, которая догружает ходовую систему, прилагаемая вблизи центра тяжести трактора, который мало влияет на начальное распределение сцепного веса по осям или по катках ходовой системы трактора.

Догрузка ходовой системы трактора через задний навесной механизм в случае применения полунавесной сцепки менее эффективна, поскольку при этом существенно ухудшается распределение сцепного веса по осям или катках ходовой системы.

Кроме того, применение полунавесных сцепок в широкозахватных МТА позволяет частично снизить тяговое сопротивление и уменьшить рост удельной материалоемкости МТА в целом. Позитивное влияние полунавесной сцепки на материалоемкость МТА заключается в увеличении относительной величины веса его технологической части, которая нагружает движитель трактора. Чем более высокая эта величина, тем меньше может быть вес трактора и материалоемкость всего агрегата.

Радикальный способ увеличения относительной величины сцепного веса в агрегате или активизации веса МТА, – оснастка его технологической части ведущими колесами, которые приводятся от системы отбора мощности трактора. В этом случае только часть мощности двигателя реализуется через ходовую систему трактора (а, соответственно, не нужен значительный вес трактора), потому его удельная материалоемкость может быть снижена еще больше, чем при пассивных опорных колесах сцепки.

Снижение удельной материалоемкости энергетической части возможно лишь при комплектовании агрегатов на основе высокоэнергонасыщенных тракторов. В связи с этим возникают трудности использования таких тракторов на пахоте, поскольку активный привод опорных колес плуга малоэффективный в результате небольшой его удельной материалоемкости. Так, относительная часть веса плуга в пахотном агрегате на основе трактора класса 3 составляет всего 9…11 %. Поэтому, даже при условии активизации всего веса плуга прирост силы тяги не превысит 10…12 %, что недостаточно для полной загрузки высокоэнергонасыщенного трактора по мощности. В этом случае целесообразно дополнить трактор технологической тележкой с активно приводными колесами, которые при необходимости можно было бы балластировать.

При таком способе агрегатирования, который называют модульным, устраняется требование строгого согласования между весом энергетического модуля и мощностью двигателя, свойственной тяговой концепции трактора.

Технологическую и энергетическую части МТА можно совершенствовать в соответствии с требованиями, предлагаемыми к каждой из них, избегая противоречия между ними и улучшая общие показатели трактора и МТА. Металл можно «перемещать» из энергосиловой части агрегата, которой является трактор, в технологическую часть при сохранении баланса массы МТА, которая обеспечивает необходимые его тяговые свойства. При существующей тяговой концепции трактора, рост массы технологической части неизменно вызывает увеличение массы трактора, а следовательно, и массы всего МТА, что отрицательно сказывается на его общих эксплуатационных показателях.

При модульной системе построения агрегата теоретически можно неограниченно повышать массу технологической части агрегата и снижать массу энергетической части при одновременном повышении мощности двигателя. Практически вес и энергонасыщенность энергосиловой части, с одной стороны, и вес технологической, с другой стороны, следует выбирать такими, чтобы общий вес энергосиловой части в комбинации с технологическими отвечали по весу тракторам смежных тяговых классов.

Такой подход к созданию перспективных мобильных транспортнотехнологических средств позволяет использовать энергосредства отдельно или в комбинации с имеющимся шлейфом сельскохозяйственных машин, которые серийно выпускаются для тракторов смежных тяговых классов.

Анатолий Лебедев, профессор, д.т.н.,
Николай Макаренко, доцент,
Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко