Повышение тяговых качеств тракторов
Р ынок 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
Источник
Повышение тягово-сцепных качеств колесных тракторов
Максимальная сила тяги трактора ограничивается буксованием движителя. Пневматические шины на влажных, рыхлых и заснеженных грунтах не развивают достаточного сцепления (буксуют). В результате уменьшаются сила тяги и скорость (ухудшается проходимость трактора), а также возрастают потери мощности на передвижение трактора и снижается экономичность его работы.
Способы повышения тягово-сцепных качеств условно можно подразделить на две группы: первые увеличивают сцепление движителей с почвой, грунтом или дорожным покрытием; вторые позволяют увеличить сцепной вес трактора, т.е. вес, приходящийся на его ведущие колёса.
Повышение тягово-сцепных качеств сельскохозяйственных тракторов может быть достигнуто: рациональным подбором типа шин и давления в них; сдваиванием и страиванием ведущих колес; использованием полугусеничного хода.
Увеличение площади контакта может достигаться при применении широкопрофильных и арочных шин, сдвоенных и строенных ведущих колес.
Например, трактор МТЗ-80 со сдвоенными ведущими колесами на шинах 12-38 на стерне суглинка развивает тяговое усилие на 20% больше и имеет на 40% меньшую глубину колеи, чем на одинарных шинах.
Для тракторов 4К46 массой свыше 7 т сдваивание и даже страивание колес применяется в основном для снижения давления на почву и уменьшения глубины колеи. Для этой цели используют специальные приспособления.
Основными элементами приспособления для сдваивания колес (рис. 7.14) являются захват 4, цепляющийся за скобы кронштейна 3, прижим 7, стяжной болт 5 и проставочное кольцо 6.
Рис. 7.14. Приспособление для сдваивания колес трактора Т-150К:
1 — наружное колесо; 2 — внутреннее колесо; 3 — кронштейн; 4 — захват; 5 — стяжной болт; 6 — проставочное кольцо; 7 — прижим
Для особых условий работы колесных тракторов (заболоченная местность, пойма реки) применяют полугусеничный ход, позволяющий одновременно увеличить площадь контакта и сцепление движителей с почвой.
У трактора “Беларусь” полугусеничный ход выполнен в виде съемного приспособления, состоящего из эластичной ленточной гусеницы, монтируемой на задние колеса размером 12-38 и дополнительного колеса размером 6,5-16.
Натяжное колесо 1 полугусеничного хода (рис. 7.15) с осью 2 устанавливают на кронштейне б, приваренном к балансиру 7. Задний конец балансира 7 через серьги 12 шарнирно соединен с кронштейном 13, привернутым к рукаву полуоси заднего колеса болтами 14.
На оси 2 имеется рейка, в зацеплении с которой находится червяк 4, устанавливаемый в кронштейне 6 балансира. Вращением червяка ось натяжного колеса может перемещаться в отверстии кронштейна. Перемещением осей в сочетании с переворачиванием натяжных колес на ступицах достигают бесступенчатого регулирования колеи натяжных колес 1 в пределах 1500. 1800 мм. Крышка 3 и заглушка 5 предохраняют внутреннюю полость кронштейна 6 от попадания грязи. В отверстии кронштейна 6 ось 2 фиксируют клиновидным болтом 8. К продольной трубе балансира приварена шаровая опора 9, в которой шарнирно закреплена шаровая головка натяжного винта 10 винтовой цилиндрической пружины 11. Последний служит для регулирования натяжения гусеницы ввинчиванием или вывинчиванием винта 10 из внутренней трубы 17 и прижатия натяжного колеса к грунту перестановкой верхнего конца наружной трубы 16 в различные отверстия кронштейна 15.
Увеличение сцепного веса трактора может быть достигнуто за счет увеличения собственной массы трактора и использования в качестве сцепного веса всего веса трактора (привод ко всем колесам), а также применением обоих способов.
Балластирование сельскохозяйственных тракторов является распространенным способом увеличения веса трактора и широко применяется на практике.
Металлические балластные грузы, масса каждого из которых не должна превышать 20 кг, устанавливаются на брус передней оси трактора или на диски ведущих колес. Суммарная масса балластных грузов достигает 20. 25% конструкционной массы трактора и устанавливается заводом -изготовителем с учетом прочностных возможностей трактора.
При недостатке сцепного веса, помимо установки грузов, камеры ведущих колес могут быть заполнены на 3/4 объема водой в теплое время года или 25% раствором хлористого кальция в холодное время.
Ведущие колеса тракторов для выполнения этой операции имеют водовоздушные вентили, а в комплект инструмента тракториста входят приспособления для выполнения этой операции.
Преимуществом жидкостного балластирования является то, что в использовании грузоподъемности шины не участвует масса столба жидкости с основанием в виде пятна контакта шины с поверхностью пути, а недостатком — большая затрата времени при заполнении и сливе жидкого балласта и трудность варьирования его величиной применительно к условиям работы (виды операций, тип и состояние почвы). Удаление воды при сливе балласта должно быть тщательным, иначе остатки воды в камере могут привести ее к порче.
Недостатки рассмотренных способов статического балластирования трактора (трудоемкость установки и снятия балластных грузов и заполнения шин жидким балластом и слив жидкости) устраняются при более совершенном динамическом способе увеличения сцепного веса.
При работе трактора с навесными машинами и орудиями увеличение сцепного веса обеспечивается специальными устройствами гидросистемы и механизма навески, позволяющими догружать ведущие колеса за счет части массы навесных орудий и части вертикальной составляющей реакции почвы, воздействующей на рабочие органы орудия.
Такие устройства — догружатели ведущих колес устанавливают на большинстве современных колесных тракторов. Принцип действия и конструкция догружателей ведущих колес рассмотрены в главе 10.
Наиболее эффективным способом повышения тягово-сцепных качеств колесных тракторов является установка привода ко всем колесам трактора. В результате полный вес трактора используется в качестве сцепного. В последние годы такие тракторы получили широкое распространение.
Одним из средств повышения тяговых качеств трактора является блокировка ведущего моста, исключающая раздельное буксование ведущих колес.
Повышение тягово-сцепных качеств промышленных и лесопромышленных тракторов достигается применением шин со специальными зацепами протектора, применением цепей противоскольжения на тракторах-погрузчиках и лесопромышленных тракторах.
Увеличение сцепления и уплотняющего действия погрузчиков мусора достигается применением металлических колес с зацепами в виде шипов.
Для уравновешивания массы ковша и увеличения усилия копания ковша на фронтальных погрузчиках применяют металлический балласт и жидкостное балластирование.
Источник
