CC BY
50
Специфика концептуального развития технического обеспечения курсовой устойчивости колёсных машин
ЕМ Асманкин, д.т.н., профессор, В.В. Реймер, инженер, В.С. Стеновский, инженер, С.В. Юмакаева, магистрант, Оренбургский ГАУ
Машинно-технологическая база аграрной отрасли страны является приоритетной социально ориентированной производственной системой и нуждается в модернизации. В аспекте технического оснащения необходимо обеспечить
повышение производительности труда не менее чем в четыре раза [1], а также перевести агрокомплекс страны на путь развития, способный к внедрению новейших компьютерных и космических агротехнологий, отвечающих мировым требованиям. Это предполагает гарантированное увеличение уровня прецизионности выполнения машинно-тракторными агрегатами технологических процессов и адаптивности к зональным
особенностям производства, радикальные изменения в сторону энерго- и ресурсосбережения.
Главным сдерживающим фактором модернизации является неудовлетворительное состояние машинно-тракторного парка отрасли — хозяйства в большинстве своём оснащены устаревшей во всех отношениях техникой. Новая выпускается заводами с недостаточным уровнем эксплуатационной технологичности, что не позволяет в полной мере осваивать в АПК высокие технологии, из-за чего производительность сельскохозяйственных работ в 10—15 раз ниже, чем в передовых странах мира [2]. По этой причине недопустимо велики потери продукции, а также перерасход энергоресурсов, которые стали серьёзными негативными факторами низких экономических показателей АПК. Моторное топливо — дорогой ресурс, стоимость его в производстве российской продукции растениеводства ежегодно увеличивается на 15—18% и в структуре её себестоимости иногда превышает 20%. Вследствие этого сельхозтоваропроизводители в значительной мере ориентируются на зарубежные машины, более функциональные, но и более дорогостоящие. К примеру, в 2007 г. в России было закуплено импортных тракторов 28 тыс. шт., а отечественных всего 8 тыс. В последние годы ситуация практически не меняется. Однако на практике и зарубежная техника не всегда в требуемой степени приспособлена к российским природно-производственным условиям её использования. Поэтому на современном этапе актуализируется проблема инженерно-технического перевооружения отрасли отечественными высокотехнологичными машинами нового поколения, способными максимально адаптироваться к особенностям территорий Российской Федерации, разнородностям их рельефа и агроландшафта.
Машинно-тракторные агрегаты занимают одно из доминирующих положений в общей системе механизации производства сельхозпродукции, поэтому состояние МТП, уровень его инженерно-технической оснащённости приоритетно определяют прибыльность всей отрасли в целом, интенсивность производства продукции растениеводства, затраты энергоресурсов и труда.
Трактор — тягово-энергетический модуль. От его работы приоритетно зависит эффективность функционирования всего МТА в целом. На сегодняшний день наметились тенденции развития конструкций колёсных тракторов, необходимость воплощения в жизнь которых становится всё острее. В частности, ужесточаются требования к совершенствованию экологических показателей и, прежде всего, к снижению уплотняющего воздействия движителей на почву, а также требования агротехники в аспекте минимизации продолжительности выполнения
сельскохозяйственных операций и повышения производительности, ресурсосбережения. Для этого получают распространение работающие на повышенных скоростях МТА, а также комбинированные и широкозахватные, позволяющие совмещать технологические операции и уменьшать число проходов по полю. Сопутствующее этому возрастание линейных размеров, масс и других параметров машин обусловило существенное изменение динамических качеств МТА и по-новому актуализировало проблему стабилизации траектории движения, которая в значительной степени определяет качество выполнения технологических операций, количество потребляемых энергоресурсов.
При снижении курсовой устойчивости более регламентированных агротехникой пределов в агрегате трактора с сеялкой рядки получаются синусоидальными, что затрудняет последующую обработку растений и приводит к их травмированию. Культиватор в аналогичных условиях создаёт пропуски и перекрытия обрабатываемых площадей, а при междурядной обработке повреждает растения. Вспашка в земледелии занимает особое место не только по агротехнической значимости, но и по своей энергоёмкости. На неё приходится около 30—35% всех затрат энергии в полеводстве [3]. Поэтому к данной операции предъявляются жёсткие требования, одним из которых является прокладка прямолинейной борозды, что определяет качество выполнения последующих операций и соответствие их агротехническим нормам, предусматривающим минимальное повреждение растений на различных стадиях их развития. В связи с этим агротехнические нормы требуют прецизионной вписываемости трактора в междурядья, что предполагает его работу в строго определённом коридоре движения, ограниченном защитными зонами, размеры которых строго регламентированы (рис. 1). Несоответствие нормам агротехники обусловливает необходимость осуществления дополнительной обработки почвы, разрушая ее структуру и уплотняя ходовыми системами, что отрицательно сказывается на урожайности (рис. 2).
Тенденция к снижению уплотняющего действия ходовых систем на почву стала результатом применения так называемой маршрутизации движения сельскохозяйственных агрегатов по постоянным направляющим дорожкам в течение всего сезона возделывания и уборки сельскохозяйственных культур. Речь идёт об использовании технологической колеи, по которой должны перемещаться движители, не воздействуя на защитные зоны растений. Это мероприятие также способствовало актуализации проблемы повышения курсовой устойчивости, так как основное требование к колее — минимизация
Рис. 1 - Схема вписываемости трактора в междурядья: Ь - ширина колеса, т - ширина междурядий, С - ширина защитных зон, В - колея трактора
Рис. 2 - Зависимость потерь урожая АУ сельскохозяйственных культур в следах движителей от плотности почвы: 1 - ярового ячменя; 2 - озимой пшеницы
её площади, для чего трактор должен точно выдерживать заданный курс.
Значимость обеспечения устойчивого движения ещё более возросла в связи с появлением так называемого точного земледелия и связанного с ним ужесточения требований адаптивности техники к агроландшафтам и природнопроизводственным условиям использования. При этом проблема стабилизации траектории движения во многом решается за счёт подруливающих устройств и автопилотов, связанных с системами глобального позиционирования, которые в большой степени скомпенсировали ограниченные возможности водителя-человека как управляющего звена. Однако их эффективность резко снижается при движении по невыровненным в горизонтальной плоскости полям, заявленная точность не выдерживается, а если выдерживается, то в результате постоянного подруливания и подворота колёс, что приводит к повышенному расходу топлива вследствие криволинейного характера траектории движения, увеличения силы сопротивления качению колёс, повышенной утомляемости водителя. При работе
на земельных угодьях с углом в 10—12° сопротивление качению возрастает по сравнению с равнинными условиями до 30—40%, а полезная мощность трактора снижается до 27% [4].
При движении поперёк склона, где колёса необходимо подворачивать вверх по склону на больший угол, чем на горизонтальном участке для обеспечения заданного курса, колесо может выходить за пределы защитных зон и повреждать растения, даже выдерживая заданное направление движения. Причина тому — несовершенство трактора как управляемого объекта.
Впервые в нашей стране была реализована попытка создания специализированного трактора для работы на наклонном основании ещё в конце 70-х гг. прошлого столетия. Очевидно, что проблема не теряет своей актуальности и сегодня.
В настоящее время выделились два перспективных направления повышения курсовой устойчивости, одно из которых—демпфирование колебаний тягового усилия. Колебания силы тяги на крюке обусловливают нестабильность касательной силы тяги, что является причиной увеличения напряжений почвы в пятне её контакта с движителем. Это повышает податливость трактора во всех направлениях, даже при минимальных значениях возмущающих усилий. При движении на склоне в условиях колебаний тяговой нагрузки трактор постоянно сползает. Для гашений колебаний проектируются и проходят апробацию различные устройства, позволяющие значительно улучшить устойчивость движения. Однако внедрению мешает их низкая надёжность и ограниченность компенсации количества дестабилизирующих факторов.
Второе направление — инерционные способы, которые в качестве способа повышения эксплуатационной технологичности колёсных машин получили широкое распространение как в России, так и за рубежом в различных аспектах: в повышении продольной и поперечной устойчивости, управляемости, повышении тягово-сцепных свойств путём применения дополнительных балластных грузов, навешиваемых на трактор, или путём заполнения пневматиков водой. Их широкому распространению способствовали простота реализации, минимальные вмешательства в базовую конструкцию машин при максимуме получаемого эффекта.
Инерционные способы позволяют изменять координату центра масс мобильной системы, а также уровень и соотношение нормальных реакций в пятне контакта движителя с опорной поверхностью. Именно этот факт обусловил предпосылки для создания способов повышения устойчивости колёсных машин при движении на повороте и при дисбалансном нагружении колёс одного моста транспортного средства. В этих приёмах раскрыли возможность коррек-
тирования траектории движения при действии боковой возмущающей силы и дестабилизирующего момента вследствие перераспределения нормальных реакций. Корректировка оказывается возможной путём устранения факторов дестабилизации. Однако гипотетически, вызывая дисбаланс, можно обусловить появление момента стабилизации на склоне, что уже теоретически обосновано.
Особенности, присущие способам манипулирования массой машины, позволяют судить об их перспективности с точки зрения дальнейшего улучшения технологичности машин, в особенности, повышения курсовой устойчивости, так как степень адекватности реальной траектории желаемой является во многом залогом энерго- и ресурсосбережения.
Таким образом, совершенствование конструкции тракторов как управляемых звеньев не теряет актуальности, т.к. степень их техно-
логичности определяет возможность внедрения и эффективность функционирования новейших компьютерных и космических технологий в АПК страны, которые гарантируют повышение конкурентоспособности отечественной техники, повышение производительности сельскохозяйственных работ, качество проведения операций, количество потребляемых энергоресурсов, а в конечном итоге, минимизацию стоимости получаемой продукции растениеводства.
Литература
1. ШкарлетА.Ф., Исмаилов В.А. Энергозатраты и воздействие на почву полноприводных тракторов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2001. № 5.
2. Сорокин А.А. Повышение эффективности работы универсально-пропашных тракторов в растениеводстве: дисс. ... к.техн.наук. Оренбург, 2009.
3. Ксеневич И.П., Ресанов В.А. Проблема воздействия дви-жетелей на почву и некоторые результаты исследований // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2000. № 1.
4. Коновалов В.Ф. Устойчивость и управляемость машин-но-тракторных агрегатов. Пермь: Пермский СХИ, 1969. 444 с.
