ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ОПОРНАЯ ТЕЛЕЖКА ШИРОКОЗАХВАТНОЙ ДОЖДЕВАЛЬНОЙ МАШИНЫ С ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Полезная модель относится к сельскому хозяйству, а именно, к поливочной технике, и позволяет повысить эксплуатационную надежность дождевальных машин фронтального и кругового действия с электроприводом опорных тележек и качество полива.
Известно устройство автоматизированного управления многоопорной фронтальной дождевальной машиной [А.С. №1391544. А01G 25/09), включающее установленные на тележках с электроприводом трубопроводы правого и левого крыльев машины, блок синхронизации движения по курсу с направляющим тросом и блок управления скоростью движения машины. Устройство снабжено установленными на входах в трубопроводы правого и левого крыла задвижками с электрогидроприводом, шарнирно укрепленным на раме машины приемным коммутатором с опорным роликом, кинематически связанным с направляющим тросом, и подключенными последовательно между приемным коммутатором и электрогидроприводами задвижек правого и левого крыльев, анализатором технологического процесса полива и логическим блоком, подключенным к блоку управления скоростью движения машины, а также установленными на опорах направляющего троса полевыми коммутаторами с подключенными к ним датчиками состояния впитываемости почвы и задатчиками норм полива орошаемых правым и левым крыльями машины участков поля.
Практически на всех дождевальных машинах (кругового и фронтального действий), где используется электрический привод, установлены электродвигатель, редуктор, карданный вал, колесные редукторы и колеса с пневматическими шинами высокой проходимости.
Недостатками известного устройства автоматизированного управления многоопорной фронтальной дождевальной машиной являются отсутствие возможности регулирования радиуса качения колес опорных тележек под действием возмущающих воздействий (поддержания радиуса качения двух колес одинаковыми), например, при изменении давления в пневматических шинах и налипания грязи при поливе. Из-за различного значения радиуса колеса каждое колесо проходит различный путь, что приводит к выходу из строя колесных редукторов, карданных валов, редуктора и электродвигателя опорной тележки, а это приводит к полной неработоспособности дождевальной машины и срыву сроков полива сельхоз культур. Отсюда, жесткие требования к поддержания в шинах постоянных и одинаковых значений давления. Это в значительной мере снижает энергоэффективность и эксплуатационную надежность широкозахватных дождевальных машин с электроприводом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является конструкция широкозахватной дождевальной машины фронтального действия типа «Кубань-Л» (В.И. Городничев. Автоматизация технологических процессов орошения: производственно-практическое издание. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2009. - 268 с.).
Широкозахватная дождевальная машина «Кубань-Л» состоит из ферменного водопроводящего трубопровода, который установлен на опорных тележках (16 шт.) с электроприводом и энергетической установки. В состав энергетической установки входит двигатель внутреннего сгорания (ЯМЗ)-238НБ, мощность 168 кВт), трехфазный генератор (мощность 30 кВт) и водяной насос (мощность на валу 100 кВт). Широкозахватная дождевальная машина может двигаться в обоих направлениях.
Уникальность широкозахватной дождевальной машины заключается в том, что она представляет собой автономный мобильный агрегат, где в качестве источника энергии используется двигатель внутреннего сгорания, потребляющий дизельное топливо, механическая энергия которого тратится на привод водяного насоса и преобразуется при помощи трехфазного генератора в электрическую энергию.
3
Оросительная вода из оросительного канала, проложенного по середине поля, подается при помощи водяного насоса в водопроводящий трубопровод, на котором равномерно размещены дождевальные насадки (307 шт.) Полив осуществляется при движении в автоматическом режиме, обеспечивая установленную норму полива в пределах 79…790 м/га. Конструктивная длина широкозахватной дождевальной машины с учетом консолей составляет 787 м, а ширина захвата дождем - 807 м.
Система автоматического управления движением машины обеспечивает сихронизацию движения всех опорных тележек в линию, стабилизацию машины по курсу по направляющему тросу, который протянут вдоль оросительного канала. Также существует система аварийного отключения при выходе контролируемых параметров за пределы допустимых значений (например, при отставании или опережении опорной тележки относительно соседних больше допустимого аварийного значения) и выдачи соответствующих сигналов на щит управления машиной.
Основание А-образной опорной тележки представляет собой поперечную балку, на концах которой смонтированы колесные редукторы и в центре поперечной балки на кронштейне установлены электродвигатель и редуктор (мотор-редуктор). Например, на промежуточных опорных тележках установлены мотор-редукторы типа 3МЦ4-80-28-1,1 с электродвигателем мощностью 1,1 кВт со скоростью вращения n=1500 обор/мин. На крайних ведущих опорных тележках установлены мотор-редукторы типа 3МЦ4-80-20-0,75 с электродвигателем мощностью 0,75 кВт со скоростью вращения n=1500 обор/мин.
ц
дв
ост
ц
На концах поперечной балки крепятся колесные редукторы, на выходных фланцах которых закрепляют колеса с пневматическими шинами высокой проходимости. Колесные редукторы соединены с поперечной балкой поворотными кронштейнами, что обеспечивает вертикальное перемещение колес при движении по неровностям. Два колесных редуктора приводятся в движение от мотор-редуктора через два карданных вала. Мотор-редукторы крайних ведущих опорных тележек отличаются большим передаточным отношением. Общее передаточное отношение опорных тележек: промежуточных - 2000, а крайних ведущих - 2500. Скорость движения широкозахватной дождевальной машины задается в зависимости от нормы полива путем регулирования скважности сигнала на движение (значениями времени движения и времени остановки в интервале времени цикла движения крайних ведущих опорных тележек: T=T+Т, Т=60 секунд).
Промежуточные опорные тележки двигаются в «стоп-стартовом» режиме, то есть, если промежуточная опорная тележка отстанет больше допустимого относительно двух соседних при помощи системы синхронизации тележек в линию вырабатывается команда на движение, если выбежит - вырабатывается команда на остановку. Питание электродвигателей осуществляется от трехфазного генератора. На колесах опорных тележек установлены пневматические шины, например, модели ИЯВ - 79530-610 (21,3-24) сельскохозяйственного назначения высокой проходимости.
Недостатками известной конструкции широкозахватной дождевальной машины фронтального действия являются отсутствие возможности регулирования (компенсации) изменения радиуса качения колес опорных тележек под действием возмущающих воздействий. Например, при разности давления в пневматических шинах и при поливе налипания грязи на пневматическую шину колеса, перемещающего впереди по направлению движения и отсутствия налипания на пневматическую шину колеса, перемещающего сзади, приведет к изменению их радиуса качения. Из-за различного значения радиуса качения каждое колеса проходят различный путь, что приводит к возникновению динамических сил в кинематической цепи. Возникнет следующая ситуация: при одинаковых значениях сцепления колес с грунтом, радиус качения колеса у которого давление в пневматических шинах ниже нормы, уменьшится, а на другом колесе радиус качения не изменится. При движении опорной тележки скорость движения колеса с уменьшенным радиусом качения будет меньше чем у колеса с нормальным давлением в пневматическом шине. Колесо с нормальным давлением в пневматической шине будет «толкать» колесо с уменьшенным радиусом качения, из-за жесткой механической связи между колесами возникнут динамические силы, которые приводят к перегрузкам колесных редукторов, карданной передачи, редуктора и электродвигателя. Как известно, 20% перегрузка электродвигателя приведет к выходу его из строя. Динамические силы приводят к выходу из строя одного из колесных редукторов (например, такие случаи установлены при проведении полевых натурных испытаний дождевальной машины типа «Кубань-Л» в Краснодарском крае) и перегрузкам электродвигателя опорной тележки, которые в дальнейшем приводят к полной неработоспособности дождевальной машины, снижению эксплуатационной надежности и срыву сроков полива сельхоз - культур. Это в значительной мере снижает энергоэффективность дождевальных машин при эксплуатации.
Задачей полезной модели является энергосбережение и повышение эксплуатационной надежности широкозахватных дождевальных машин с электроприводом опорных тележек кругового и фронтального действий, и следовательно, повышение качества полива.
Поставленная задача решается за счет того, что энергосберегающая опорная тележка широкозахватной дождевальной машины с электроприводом, состоящая из водопроводящего трубопровода, установленного на опорных тележках, А-образной рамы, основанием которых представляет собой поперечную балку, на концах которых смонтированы колесные редукторы и в центре поперечной балки на кронштейне установлен электродвигатель, соединенный через карданные валы с колесными редукторами, на выходных фланцах которых установлены колеса с пневматическими шинами, выход электродвигателя соединен с входом планетарного механизма, а выходные валы, которого соединены с карданными валами, при этом пневматические шины установлены на колесах опорной тележки со встречным расположением рисунка проектора.
Новые существенные признаки:
1. Выход электродвигателя соединен с входом планетарного механизма, а выходные валы, которого соединены с карданными валами.
2. Пневматические шины установлены на колесах опорной тележки со встречным расположением рисунка протектора.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными необходимы и достаточны для достижения технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Технический результат заключается.
1. Выход электродвигателя соединен с входом планетарного механизма, а выходные валы, которого соединены с карданными валами. Для передачи вращения вал электродвигателя соединяется с валом планетарного механизма. Выходные валы планетарного механизма соединяются с карданными валами. Таким образом, вращение электродвигателя через планетарный механизм и карданные валы передаются на колесный редуктор. На фланцах колесного редуктора закрепляется колесо с пневматическими шинами. При снижении давления в одном из пневматических шин от номинального, радиус качения колеса уменьшается, что приводит к уменьшению линейной скорости движения колеса. При движении двух колес с разными скоростями появляются динамические силы - в работу вступает планетарный механизм. Планетарный механизм позволяет уменьшить частоту вращения колеса с большей скоростью движения.
2. Пневматические шины установлены на колесах опорной тележки со встречным расположением рисунка протектора. Для уменьшения влияния возмущающих воздействий и увеличения проходимости колес с пневматическими шинами необходимо использовать пневматические шины с высокой проходимостью. Такие пневматические шины имеют рисунок протектора в форме «елочка». При монтаже и техобслуживании широкозахватной дождевальной машины в полевых условиях необходимо соблюдать требования к установке пневматических шин. На передние и задние колеса опорной тележки устанавливать пневматические шинами таким образом, чтобы рисунки на каждом колесе были направлены противоположно (встречно). При такой установке колес колееобразование будет минимальным. При установке колес с рисунком в одном направлении при движении широкозахватной дождевальной машины, например, вперед - будет происходить колееобразование (рисунок «елочка» будет выдавливать из-под колеса грунт), при движении назад - также будет наблюдаться, грунт, который был выдавлен из колеи, не будет возвращен в колею. При многократном проходе будет образоваться глубокая колея, которая ухудшает режим движения опорных тележек и широкозахватной дождевальной машины в целом.
Энергосберегающая опорная тележка широкозахватной дождевальной машины с электроприводом является энергосберегающим - при использовании планетарного механизма в кинематической цепи, электрическая энергия, потребляемая электродвигателем и на ее основе выработанная механическая энергия не будет тратиться на преодоление не производительных динамических сил, а полностью затрачивается на перемещение опорной тележки. При перегрузках электродвигателя более чем на 10-15% из-за повышения потребляемого тока увеличиваются потери в обмотках, что приведет к преждевременному выходу из его строя.
Также на широкозахватной дождевальной машины, где имеются большое количество опорных тележек с электроприводом (например, широкозахватная дождевальная машина «Кубань-Л» имеет 18 опорных тележек) при работе электродвигателей в номинальном (или ниже номинального) режиме не приведет к перегрузке трехфазного генератора и машины в целом. Тем самым, повышается эксплуатационная надежность широкозахватной дождевальной машины. Обеспечивается надежное и бесперебойное водообеспечение сельскохозяйственных культур в период сжатого поливного сезона.
В качестве планетарного механизма, который позволяет обеспечить перераспределение угловой скорости вращения колес опорной тележки, можно использовать планетарный механизм с блокирующим дифференциалом (механизм блокировки карданных валов). Принцип работы планетарного механизма следующий. При вращении ведомой шестерни планетарного механизма в месте с ней вращается коробка дифференциала, и следовательно, и крестовина с сателлитами. При прямолинейном невозмущенном движении опорной тележки (например, давление в пневматических шинах одинаковые, налипание грязи нет) оба колеса встречают одинаковое сопротивление, вследствие чего будут одинаковыми и усилие на зубьях обеих полуосевых шестерен. Сателлиты в этом случае поворачиваются вокруг собственной оси, находясь в состояния равновесия. Таким образом, все детали планетарного механизма вращаются как одно целое и частоты вращения обеих полуосевых шестерен, а следовательно, и карданных валов с колесами одинаковые.
Например, если пневматические шины переднего колеса имеет сниженное давление, чем переднее, и усилие на полуосевой шестерне, связанной с передним колесом, становится больше. Вследствие этого равновесие сателлитов нарушается, и и они начинают перекатываться по полуосевой шестерне, соединенной с передним колесом, вращаясь относительно собственной оси и вращая вторую полуосевую шестерню с увеличенной скоростью. В результате частота вращения переднего колеса опорной тележки уменьшается, а заднего - возрастает, и движение опорной тележки совершается без юза и проскальзывания (пробуксовки).
При использовании планетарного механизма появление динамических сил будут практически исключены, что значительно повысит эксплуатационную надежность широкозахватной дождевальной машины, тем самым не будет нарушен график полива сельскохозяйственной культуры - это основа получения высоких урожаев.
Вышеперечисленные недостатки опорных тележек широкозахватной дождевальной машины и преимущества предлагаемой конструкции опорной тележки обосновывались в период проведения натурных испытаний широкозахватных дождевальных машин типа «Кубань-Л» фронтального действия и «Кубань-ЛК» кругового действия с электроприводом опорных тележек.
К мелиоративным машинам сельскохозяйственного назначения (например, широкозахватные дождевальные машины типа «Кубань-Л» фронтального действия и «Кубань-ЛК» кругового действия с электроприводом опорных тележек) помимо общих требований к машинам повышенной проходимости предъявляют агротехнические требования. Один из них: давление пневматических шин колес на почву при работе на поле не должно превышать установленных стандартом значений (150 кПа) во избежание значительного уплотняющего воздействия на почву, вызывающего нарушение плодородия почвы. Для выполнения этого требования применяют широкопрофильные пневматические шины низкого давления высокой проходимости (например, пневматические шины модели ИЯВ - 79530-610 (21,3-24).
На Фиг. 1 приведена энергосберегающая опорная тележка широкозахватной дождевальной машины с электроприводом.
Опорная тележка 1 представляют собой А-образную ферму из углового проката. В нижней части опорной тележки 1 установлена поперечная балка 2, выполненная из толстостенной трубы. На верхней части опорной тележки 1 размещен водопроводящий трубопровод 3, на котором равномерно устанавливаются дождевальные насадки (на Фиг. 1 не показаны). На концах поперечной балки 2 крепятся колесные редукторы 4, на выходных фланцах (на Фиг. 1 не показан) которых закрепляются колеса 5 с пневматическими шинами 6 высокой проходимости. В центре поперечной балки 2 устанавливают электродвигатель 7 (на Фиг. 1 не показан кронштейн на котором крепится электродвигатель 7), который соединен с планетарным механизмом 8 (например, шестеренный дифференциал). Вращение от планетарного механизма 8 (выходные валы планетарного механизма 8 на Фиг. 1 не показаны) через карданный вал 9 передается на два колесных редуктора 4.
При установки пневматических шин 6 на колеса 5 и закрепления колеса 5 на фланцах колесного редуктора 4 необходимо учитывать направления рисунка протектора (грунтозацепы) 10 пневматических шин 6. На пневматических шинах 6 высокой проходимости рисунок протектора имеет форму «елочка». Рисунки протектора 10 колес 5 (переднего и заднего) должны быть направлены противоположно.
При установке пневматических шин 6 на колеса 5 с рисунком протектора в одном направлении при движении опорной тележки 1 будет образовываться колея, что отрицательно будет сказываться на нормальном функционировании широкозахватной дождевальной машины. В глубокую колею будет собираться оросительная вода, тем самым ухудшая условия движения широкозахватной дождевальной машины. При встречной установке рисунков протектора 10 пневматических шин 6 будет наблюдаться например, пневматические шины 6 колеса 5, перемещающие впереди в направлении движения, если рисунок протектора 10 «выталкивает на края колеи» грунт из-под себя, а сзади перемещающее колесо с пневматическими шинами 6 будет «собирать в колею» грунт под себя.
Передаточное отношение планетарного механизма 8 различной конструкции имеет различные значения. Для достижения необходимого передаточного отношения кинематической цепи существуют различные пути изменения передаточного отношения всей кинематической цепи. Передаточное отношение «электродвигатель - колесо» может быть регулирован различными путями, например, выбором электродвигателя с большей (меньшей) скоростью вращения, использованием частотных преобразователей для снижения скорости вращения электродвигателя, установкой редуктора между электродвигателем и планетарным механизмом, передаточного отношения планетарного механизма, планетарного механизма с блокировкой шестерен (дифференциал с блокировкой), гипоидной передачей, выбором колесного редуктора с различным передаточным отношением, выбором пневматической шины с большим (меньшим) радиусом качения и др.
Энергосберегающая опорная тележка широкозахватной дождевальной машины с электроприводом работает следующим образом.
При поливе дождевальной машиной, например, дождевальной машиной «Кубань-Л» оператор из щита управления задает скорость движения крайних ведущих опорных тележек (на Фиг. 1 не показаны) в зависимости от необходимой нормы полива. При достижении конца поля дождевальная машина реверсируется, и по истечении межполивного перерыва, она двигается в обратном направлении (от конца поля к началу поля). В процессе движения пневматические шины 5 (передние и задние в направлении движения) опорных тележек 1 перемещаются по одной колее.
Рассмотрим режимы работы опорной тележки 1.
фак пер
1. Под действием возмущающих воздействий (влага, дождь, растительность, почва и др.) пневматические шины 6, которые находятся впереди в направления движения (движение слева на право), при постоянных и одинаковых значениях давления в пневматических шинах 6, будет налипать грязь и растительность (слой грязи и слой растительности образуют по периметру пневматической шины 6 дополнительный трудноудаляемый «обод»), что приведет к увеличению радиуса качения колеса 5R на величину ΔR. Фактический радиус качения переднего колеса 5 с пневматическими шинами 6R будет равен:
фак пер
R=R+ΔR.
Колесо 5 с пневматическими шинами 6, которое находится сзади в направлении движения, находится в наиболее благоприятных условиях - оно перемещается по достаточно мокрому полю, и налипание грязи будет наблюдаться меньше, при этом суммарный радиус качения колеса практически не изменится и будет равен:
фак зад
R=R
эд
пep
зад
При одинаковой угловой скорости вращения электродвигателя 7 ω скорость перемещения V колес 5 (передних - V и задних - V) за время движения опорной тележки 1 не будет отличаться, а угловая скорость колес 5 будут отличаться на Δω:
пер
фак пер
V=(ω-Δω)*R=(ω-Δω)*(R+ΔR)=
зад
фак зад
=V=(ω+Δω)*R=(ω+Δω)*R,
где
фак пер
фак зад
пер
зад
R - радиус качения колеса 5; ΔR - приращение радиуса качения колеса 5, ω - угловая скорость вращения колеса 5; Δω - приращение угловой скорости колеса 5; R, R - соответственно фактический радиус качения колеса 5; V, V - соответственно скорость движения переднего и заднего колеса 5.
2. Другим немаловажным фактором возникновения таких динамических сил является значение давления воздуха в пневматических шинах 6 колес 5. Такие динамические силы приводят к выходу из строя электродвигателя 7 из-за перегрузок. При снижении давления в пневматических шинах 6 происходит увеличение их ширины опоры на грунт, что приведет к дополнительному колееобразованию и снижению коэффициента земельного использования дождевальной машины. Будет происходить заминание (уничтожение) посева сельхоз культуры, и следовательно, приведет к снижению урожайности. Фактический радиус качения колеса 5, например, переднего колеса, в котором давление воздуха низкое, будет равен (на Фиг. 1 приведен частный случай - снижение давления в пневматических шинах 6 заднего колеса 5):
фак зад
R=R-ΔR.
При таких режимах движения опорной тележки 1 по неровной поверхности орошаемого участка поля, при различных значениях давления в пневматических шинах 6 в работу включается планетарный механизм 8, который обеспечивает колесам 5 разную скорость вращения и качения без проскальзывания и буксования.
Одновременно с изменением скорости вращения происходит изменение крутящего момента на передние и задние колеса 5 опорной тележки 1. При этом крутящий момент уменьшается на колесе 5, вращающемся с большей скоростью.
В таком случае скорости передней и задней колес 5 будут одинаковыми:
пер
фак пер
V=(ω-Δω)*R=(ω-Δω)*(R)=
зад
фак зад
=V=(ω+Δω)*R=(ω+Δω)*(R-ΔR).
При использовании энергосберегающей опорной тележки широкозахватной дождевальной машины с электроприводом вышеперечисленные недостатки будут сведены к минимуму и будут компенсироваться благодаря планетарному механизму 8.
Для равномерного распределения нагрузки между пневматическими шинами 6 опорной тележки 5, в целях исключения колееобразования, пневматические шины 6 на колеса 5 опорной тележки 1 необходимо устанавливать с учетом рисунка протектора 10 пневматических шин 6. Пневматические шины 6 должны быть установлены на колеса 5 таким образом, чтобы рисунки пневматических шин были направлены встречно (противоположно). Такое расположение пневматических шин 6 позволяет снизить образование колеи при многократном проходе широкозахватной дождевальной машины по данному участку.