CC BY
136
УДК 631.372
Г.М. Кутьков, доктор техн. наук, профессор
ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»
ВКЛАД УЧЕНЫХ КАФЕДРЫ «ТРАКТОРЫ И АВТОМОБИЛИ» В СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ НАУКИ О ТРАКТОРЕ
Возникновение науки о тракторе. Наука о тракторе зародилась в нашей стране исторически одновременно с зарождением отрасли тракторостроения в 20-30 годы прошлого века. В 1927 г. доцент Е.Д. Львов издает книгу «Тракторы, их конструкция и расчет» как учебное пособие. Это был один из первых (если не первый) в мировой практике опытов систематизации и обобщения вопросов теории, конструирования и расчета трактора. В это время уже существовала лаборатория тракторов в научном автомобильном и автомоторном институте (НАМИ).
В 30-е годы вступили в строй Сталинградский (1930 г.), Харьковский (1931 г.) и Челябинский (1934 г.) тракторные заводы. Появилась первая практика отечественного тракторостроения. Используя накопленный к этому времени опыт конструктора, исследователя и педагога, профессор кафедры «Тракторы» Московского института механизации и электрификации сельского хозяйства (МИМЭСХ) Евгений Дмитриевич Львов в 1931 г. выпускает второе, дополненное издание учебного пособия «Тракторы, их конструкция и расчет», а в 1933 г. — третье издание, дополненное и исправленное. Этот трехтомник стал настольной книгой научных работников, инженеров и студентов. Он получил высокую оценку всех специалистов в области тракторостроения.
В этот же период пишет и издает книги и статьи по теории и конструкции трактора организатор кафедры «Тракторы и автомобили» МИМЭСХ и первый ее заведующий профессор Дмитрий Константинович Карельских. Из его работ следует выделить статью, опубликованную в 1923 г. и содержащую анализ параметров тракторов, выпускаемых зарубежными фирмами, с целью выбора модели, в наибольшей мере соответствующей российским условиям эксплуатации.
Особенность книг по теории, по конструкции и расчету трактора, написанных Д.К. Карельских и Е.Д. Львовым, состояла в том, что они содержали материалы по двигателям внутреннего сгорания столь же обстоятельные, как и по тракторам. Теоретический уровень и полнота изложения материала были равноценными по трактору и по двигателю.
Бурный рост и развитие отрасли тракторостроения в 30-е годы прошлого столетия предъявляют повышенные требования к подготовке инженеров-конструкторов тракторов. Развивается наука о тракторе, совершенствуется методика преподавания
40
дисциплины «Теория, конструкция и расчет трактора» в вузе. В результате происходит разделение ее на две: «Теория трактора» и «Конструирование и расчет трактора», а автотракторные двигатели выделяются в отдельный курс.
Закрепляя такое разделение, профессор МИМЭСХ Е.Д. Львов издает в 1936 г. учебник «Теория трактора» [1], который стал единым для вузов машиностроительного и эксплуатационного профиля. Именно этот учебник, переиздававшийся много раз как у нас в стране, так и за рубежом принес автору заслуженную репутацию основоположника теории трактора. В этом учебнике впервые сформирована структура дисциплины в том виде и в том объеме, в которых она продолжает существовать и в настоящее время.
Существующая и в настоящее время методика тягового расчета трактора, расчета и построения теоретической тяговой характеристики трактора была разработана Е.Д. Львовым. Предложенная им методика построения теоретической тяговой характеристики в четырех квадрантах получила название «крест Львова».
Основоположником теории конструирования и расчета трактора является первый заведующий кафедрой «Тракторы и автомобили» в МГАУ профессор Д.К. Карельских. В своей педагогической деятельности Д.К. Карельских специализировался на чтении лекций по курсам «Конструкция трактора», «Конструирование и расчет трактора» и «Испытание трактора», являясь создателем этих учебных дисциплин [2].
Проработавший на кафедре со дня ее основания до последних своих дней Василий Николаевич Болтинский также стоял у истоков организации дисциплины «Тракторы и автомобили». В 1934 г. Комитет по высшему техническому образованию предложил Московскому и Ленинградскому институтам механизации сельского хозяйства разработать программу по курсу «Конструкция и расчет тракторов и автомобилей». Из представленных программ была утверждена и издана в качестве типовой программа, разработанная МИМЭСХ. В этот период кафедрой руководил В.Н. Болтинский. В соответствии с этой программой были разработаны методические указания по курсам кафедры, создана коллекция диапозитивов для изучения конструкции тракторов и автомобилей, разработаны поло-
жения о курсовом и дипломном проектировании, разработана тематика дипломных проектов по кафедре «Тракторы и автомобили». Следует подчеркнуть, что это были первые методические документы по совершенно новой дисциплине для институтов механизации, призванных готовить кадры инженеров по эксплуатации машин (тракторов), применяемых в сельскохозяйственном производстве впервые взамен живой тягловой силы. Основные положения этих документов были определены очень точно. Поэтому они действуют и в настоящее время.
В соответствии с утвержденной программой В.Н. Болтинским был написан и в 1935 г. издан учебник «Автотракторные двигатели» [3]. Таким образом, было завершено формирование одноименного курса. В последующие годы учебник подвергся доработке и переизданию. До войны (1941 г.) он переиздавался трижды, был встречен весьма благоприятно и высоко оценен научной общественностью и студентами, что следует из рецензий того времени. Всего этот учебник выдержал семь изданий.
Так уже в предвоенные годы сформировалась наука о тракторе. Всю совокупность сложившихся знаний о тракторе можно считать состоящей из трех разделов (рис. 1): теории трактора; теории конструирования трактора; теории эксплуатации трактора.
Содержание теории эксплуатации трактора в настоящее время до конца не определено. По мнению автора, она должна состоять из двух основных частей: техническая эксплуатация и технологическая эксплуатация трактора. Техническая эксплуатация — это наука о методах и способах поддержания работоспособного состояния трактора в процессе эксплуатации. Эта часть теории эксплуатации является законченной в разработке, и ее развитие продолжается параллельно с развитием конструкции самого трактора и средств обеспечения его технического состояния. Теория эксплуатации, касающаяся технологических свойств трактора, не разрабатывалась («белое пятно»), и до настоящего времени не было попыток даже сформулировать ее как задачу. Впервые эта проблема поставлена на кафедре «Тракторы и автомобили» и ее, по мнению автора, следует отнести к числу кардинальных проблем [4].
Новый этап в развитии теории трактора. В.Н. Бол-тинский начал свою научноисследовательскую и педагогическую деятельность сразу после окончания Тимирязевской сельскохозяйственной академии (1929 г.) под руководством В.П. Горячкина, с одной стороны, и Е.Д. Львова и Д.К. Карельских — с другой.
В результате он впитал в себя ме-
тодические основы школы теории земледельческой механики и школы конструирования и испытания трактора, что позволило ему поставить и практически решить крупную прикладную задачу в области теории ДВС — работа тракторного двигателя при неустановившейся (переменной) нагрузке.
К концу 40-х годов Василий Николаевич накопил большой объем материалов по результатам многолетних исследований карбюраторных и дизельных двигателей и в 1949 г. опубликовал монографию [5], посвященную работе тракторного двигателя при неустановившейся нагрузке. Трудно назвать другую работу в области тракторных двигателей, которая вызвала бы такой же резонанс среди специалистов и в научных кругах во второй половине ХХ века.
Исследования В.Н. Болтинского работы тракторного двигателя при неустановившейся нагрузке имели большое самостоятельное значение. Вместе с этим они послужили основой для разработки раздела теории трактора, рассматривающего тяговоэнергетические процессы. В сочетании с развитием прикладных разделов кибернетики они открыли новый этап в развитии теории трактора. Колебания нагрузки, неизбежно сопровождающие работу трактора и рассматривавшиеся ранее как досадная помеха при испытаниях, стали изучать с позиций вредного влияния их на его эксплуатационные показатели и разрабатывать мероприятия конструктивного и эксплуатационного характера, предотвращающие или снижающие это влияние. Именно в этом состоял революционный характер периода 50-60-х годов прошлого столетия для науки о тракторе.
Значение монографии В.Н. Болтинского для развития науки о тракторе трудно переоценить. Она была активно использована для развития теории эксплуатации МТП одним из основоположников этой дисциплины Л.Б. Свирщевским, а также Л.Е. Агеевым и Н.М. Шаровым. По результатам исследований и теоретических разработок этих ученых опубликована монография и учебное пособие.
Рис. 1. Примерная структура науки о тракторе
ВестникФГ0УВП0МГАУ№2'20'10 ------------------------------------ 41
Фрагменты монографии В.Н. Болтинского включил в свой учебник основоположник теории трактора Е.Д. Львов. Ее теоретические положения использовали практически во всех научных монографиях и учебниках того времени, в том числе ведущие ученые в области теории трактора И.И. Трепенен-ков, В.Я. Анилович, Д.А. Чудаков, Ю.К. Киртбая, В.И. Анохин, А.В. Николаенко.
Развитие идей В.Н. Болтинского с анализом влияния колебаний нагрузки и других параметров на тягово-энергетические показатели трактора, обобщение и систематизация сведений о тяговой динамике трактора выполнены Г.М. Кутьковым и нашли отражение в монографии [6]. Трактор впервые рассмотрен как динамическая система, состоящая из отдельных колебательных звеньев, подверженная случайному воздействию не только тяговой нагрузки, но и неровностей рельефа, а также управляющим воздействиям тракториста. В монографии анализируется случайный характер внешних воздействий на трактор, выполнена классификация колебаний в тракторе, разработаны математические модели работы трактора с учетом колебаний нагрузки, проведен анализ влияния колебаний на тяговоэнергетические показатели работы трактора. В уравнение мощностного баланса Е.Д. Львова включены новые члены, отражающие потери и недоиспользование мощности двигателя, вызванные переменным характером внешних воздействий. Установлено, что их доля может достигать половины всех потерь, учитываемых тяговым кпд трактора. В учебное пособие в 1995 г., а затем и в учебник [7] по теории трактора для студентов вузов включен раздел «Тяговая динамика трактора», имеющий строгую методическую структуру. По существу, это первая попытка дополнить теорию трактора Е.Д. Львова отдельным новым разделом.
Большое влияние на развитие теории и практики создания трактора оказали исследования, сопутствующие решению проблемы повышения скоростей МТА (60-70 гг. прошлого столетия). Результатом этой работы было становление творческих коллективов заводских конструкторских бюро, особенно службы надежности тракторов, внедрение в серийное производство и оснащение сельского хозяйства тракторами (МТЗ-80/82 и Т-150К/Т-150) и сельхозмашинами нового поколения, обладающими высоким техническим уровнем. Вся эта работа проводилась под научным руководством В.Н. Бол-тинского.
Определенным вкладом в теорию трактора [6] является научное решение проблемы использования в технологическом процессе с.-х. производства трактора очень высокой энергонасыщенности, названного трактором тягово-энергетической концепции, выполненное под научным руководством Г.М. Кутькова (НАТИ). Существо этих раз-
42
работок составляет новая система агрегатирования энергетического средства с сельхозмашинами, названная авторами блочно-модульной системой агрегатирования. Адаптированная к этой системе агрегатирования конструкция энергетического средства названа модульным энерготехнологическим средством (МЭС). МЭС-200 и МЭС-300 были разработаны в 70-80-е годы прошлого столетия НАТИ, Минским, Липецким и Харьковским тракторными заводами, успешно прошли испытания в ведущих испытательных центрах Советского Союза (КубанскНИТИМ, УкрНИМЭСХ, Одесском филиале НАТИ, СКС ВИМ), а также в МГАУ им. В.П. Горячкина. Результаты испытаний подтвердили целесообразность их использования в сельхоз-производстве. А в настоящее время уже появились на рынке тракторы зарубежных фирм (Fendt-936, Challenger MT-665R и др.), равные по энергонасыщенности отечественным опытным образцам МЭС, не внедренным, к сожалению, в отечественное производство.
Существенный вклад в развитие теории трактора внес профессор кафедры «Тракторы и автомобили» МИИСП В.И. Анохин [8]. Его исследования работы сельскохозяйственного трактора с гидротрансформатором являются наиболее полными и комплексными. Он установил влияние гидротрансформатора на тягово-сцепные, тягово-энергетические показатели, на надежность. Полученные им закономерности по этим вопросам, а также рекомендации по компоновке трансмиссии, параметрам гидротрансформатора, методам согласования характеристик двигателя и гидропередачи не утратили своей актуальности и в настоящее время.
Современный трактор—это «экологически чистый» трактор, отвечающий перспективным экологическим нормам. Основной вклад в загрязнение окружающей среды вносится двигателем, и вопрос создания «экологически чистого» дизеля для современного трактора остается проблемой. В 2007 г. выходит научная монография [9] написанная заведующим кафедрой «Тракторы и автомобили» С.Н. Де-вяниным совместно с профессором В.А. Марковым (МГТУ им. Н.Э. Баумана) и профессором В.И. Маль-чуком (МАДИ), посвященная вопросам впрыскивания и распыливания топлив в дизелях как ключевым для обеспечения экологических характеристик. И вслед за ней в 2008 г. выходит монография [10] по альтернативным топливам для дизелей, в которой раскрываются возникающие проблемы при переводе их на растительные масла как наиболее вероятной замены нефтяным топливам. Показана целесообразность перехода на биотоплива и даны пути решения возникающих проблем.
Дальнейшее развитие науки о тракторе. В конце прошлого столетия автором статьи выдвинута проблема разработки теории технологической
эксплуатации трактора как раздела теории эксплуатации трактора.
Технологические свойства — это свойства, характеризующие соответствие данного мобильного энергетического средства технологическим требованиям на всем комплексе сельскохозяйственных операций, для выполнения которых в составе МТА оно предназначено. По существу — это потребительские свойства.
Все многообразие требований технологического процесса, предъявляемых к МТА, можно выразить следующими обобщенными показателями: технологическая универсальность, производительность, агротехническое качество выполняемой операции и стоимость ее выполнения. Взаимосвязь комплексного показателя технологического уровня Пт мобильного энергетического средства с обобщенными показателями и обобщенных показателей с единичными показана на рис. 2.
Технологическая универсальность. Под технологической универсальностью понимают способность энергетического средства эффективно выполнять в составе МТА наибольший набор сельхозопе-раций из общего их количества. Можно выделить примерно пять видов или групп различных работ, каждая из которых содержит большой и разнообразный перечень технологических операций, родственных между собой по назначению и близких по технологическим требованиям к параметрам МТА, предназначенным для их выполнения. Функциональная зависимость, отражающая эффективность использования энергетического средства на отдельных видах работ, имеет вид
У = /а , а , а , а , а А
т ^ ^ я’ п’ м.о’ тр уб-/’
где а , а , а , а , а,
^ а п м.о тр’ уб
показатель эффективности использования мобильного энергетического средства соответственно в составе комбинированных агрегатов, на почвообрабатывающих операциях, на междурядной обработке пропашных культур, на транспортных работах, на уборочных работах, включая кормоуборочные операции.
пользования времени смены; кор — коэффициент удельного сопротивления орудия.
Потенциальная производительность энергетического средства — это производительность с орудием такой ширины захвата, при которой его тяговое сопротивление равно номинальному расчетному тяговому усилию трактора, а скорость движения МТА максимальная при данной мощности двигателя, но не превышает скорости, установленной правилами агротехники.
Агротехнические свойства можно выразить следующей функциональной зависимостью:
Ат = V Ув* ^ Ту^ ТурХ
где уч, уь, увп, Уобз, Уупр, Тур — показатель соответственно давления движителей на почву, агротехнического просвета, защитной зоны, обзорности с места водителя, управляемости и потери урожая.
Стоимостные показатели зависят от стоимости энергетического средства, топливной экономичности и эксплуатационных расходов:
С = АС, с, СвХ
где Сз — заработная плата; Сэм — стоимость израсходованных эксплуатационных материалов; Са — амортизационные отчисления; Сто—стоимость технического обслуживания, хранения, ремонта; Св — стоимость выполнения вспомогательных процессов при работе трактора.
Приспособленность мобильного энергетического средства к выполнению технологических операций можно оценить комплексным показателем технологического уровня энергетического средства:
П = /(Ж , А , С).
т ^4 и’ т т
Необходимость развития теории технологических свойств трактора давно назрела, потому что многие практические задачи оценки приспособленности трактора к выполнению технологических операций на этапе создания новых моделей решаются
вызываемого колебаниями нагрузки на двигатель; тсм — коэффициент ис-
Рис. 2. Структура показателей технологических свойств мобильных энергетических средств
без должного анализа, эмпирически. Нужны методы определения параметров и показателей мобильных энергетических средств, характеризующих соответствие этих машин требованиям технологий сельскохозяйственного производства. Наличие таких методов позволит объективно прогнозировать развитие конструкции трактора на основе перспективных технологий и оценивать соответствие трактора своему технологическому назначению по главным параметрам: технической концепции и компоновочной схеме, энергонасыщенности, типу и параметрам движителя, характеристике скоростного ряда трансмиссии и другим параметрам.
Теория технологических свойств в качестве обязательной учебной дисциплины в вузах позволит готовить специалистов, способных анализировать поэлементно и оценивать степень пригодности энергетического средства для выполнения данного комплекса технологических операций.
Список литературы
1. Львов, Е.Д. Теория трактора / Е.Д. Львов. — М.: ОГИЗ-Сельхозгиз, 1949. — 216 с.
2. Карельских, Д.К. Теория, конструкция и расчет тракторов / Д.К. Карельских, M.K Кристи. — M.: Mашгиз, 1940. — 520 с.
3. Болтинский, В.Н. Работа тракторного двигателя при неустановившейся нагрузке / В.Н. Болтинский. — M.: ОГИЗ-Сельхозгиз, 1949. — 216 с.
4. Кутьков, T.M. Технологические основы мобильных энергетических средств / EM. Кутьков. — Ч. I. — M.: MГАУ им. В.П. Горячкина, 1999. — 152 с.
5. Болтинский, В.Н. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей / В.Н. Болтинский. — M.: ОГИЗ-Сельхозгиз, 1936.
6. Кутьков, EM. Тяговая динамика трактора / T.M. Кутьков. — M.: Mашиностроение, 1980. — 216 с.
7. Кутьков, T.M. Тракторы и автомобили: Теория и технологические свойства / T.M. Кутьков. — M.: КолосС, 2004. — 504 с.
8. Анохин, В.И. Применение гидротрансформаторов на скоростных гусеничных сельскохозяйственных тракторах / В.И. Анохин. — M.: Mашиностроение, 1972. — 304 с.
9. Mарков, В.А. Впрыскивание и распыливание топлива в дизелях / В.А. Mарков, С.Н. Девянин, В.И. Mальчук. — M.: Изд-во MnT им. Н. Э. Баумана, 2007. — 360 с.
10. Девянин, С.Н. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей/ С.Н. Девянин, В.А. Mар-ков, В.Г. Семенов. — M.: MГАУ им. В.П. Горячкина, 2008. — 428 с.
УДК 631.171:633/635
А.Н. Скороходов, доктор техн. наук, профессор
ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К МОДЕЛИРОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ
На всех стадиях возделывания и уборки сельскохозяйственных культур необходимо правильно выбрать сорт, технологию возделывания, определить наилучшие сроки выполнения каждой технологической операции, обеспечить оптимальные условия роста и развития растений, минимальные затраты труда, средств и энергии. Таким образом, проектирование и управление производственными процессами представляет собой научно обоснованное предвидение большого и взаимно увязанного комплекса технологических, технических, организационных мероприятий и их экономически наиболее выгодное осуществление.
Проектирование можно рассматривать как оптимизацию процессов при стимулировании полезных и уменьшении вредных эффектов. Для нахождения оптимальных решений множества задач, возникающих при выполнении полевых работ, необходимо иметь достаточно емкую теорию. Теория должна предусматривать взаимосвязанные алгоритмы, по которым можно количественно оценивать качество функционирования технологических про-
цессов, технических средств их реализации и по избранным критериям оптимизировать влияние вредных и полезных воздействий.
Многоуровневую систему задач оптимизации технологических и производственных процессов в растениеводстве можно представить в виде сложной системы взаимодействующих подсистем. Управление процессом осуществляется при поступлении информации о развитии и состояниях подсистем.
На первом уровне с учетом природнопроизводственных факторов, определяющих судьбу урожая и оказывающих влияние на технологические процессы и надежность их функционирования, определяются оптимальные сроки начала и суточный темп выполнения полевых работ по минимально допустимым потерям продукции или энергии.
На втором уровне реализуется группа оптимизационных задач, обеспечивающих поэтапное решение проблемы выбора энергетических средств и обоснования параметров и режимов работы агрегатов для выполнения основных и вспомогательных операций технологического процесса.
