Анализ функциональных возможностей и конструктивных особенностей мобильной техники

УДК 629.01

АНАЛИЗ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ МОБИЛЬНОЙ

ТЕХНИКИ

Е.Н. Нехаев, аспирант, ХНАДУ

Аннотация. Дан обзор основных моделей мобильной техники, построенных по модульному принципу. Определены перспективные направления ее развития.

Ключевые слова: мобильные энергетические средства, модуль, вариативность, трансформерность, энергетический модуль, технологический модуль.

Введение

Дальнейшее развитие мобильной техники для сельскохозяйственного производства связано с расширением ее функциональных возможностей. На смену традиционным тракторам приходят мобильные энергетические средства (МЭС). Их сменяет еще более совершенная техника. В такой технике появляется вариативность, трансформерность, становится более высоким уровень автоматизации. Значительная часть новой техники строится по модульному принципу. Реализация данного принципа заключается в построении мобильного средства из функциональных блоков в зависимости от поставленных задач.

В связи с тем, что все эти виды и типы мобильной техники обладают разной производственной эффективностью, по-разному ведут себя в эксплуатации, возникает задача анализа их функциональных возможностей и конструктивных особенностей для более глубокого понимания перспектив и направления их развития, а также для выбора наиболее эффективных решений. Поэтому актуальным является обзор существующих моделей МЭС, анализ их функциональных возможностей и конструктивных особенностей, а также оценка их перспективности.

Анализ последних публикаций

Вопросы теории МЭС были поставлены и частично решены в конце 20-го века И.Н. Кутьковым, В.Т. Надыкто, А.В. Рослав-цевым и другими.

В середине 80-х и начале 90-х годов активно велись работы по разработке энергетических модулей на базе серийных энергетических средств. Рассматривались одноосные, двухосные и трехосные варианты энергетических модулей.

Разработка МЭС различного назначения проводилась в: НПО ВИСХОМ - для использования в свекло - картофеле - и овощеводстве; НПО НАТИ совместно с ГСКБ по универсальным пропашным тракторам - для обработки почвы; ВИМ - для нечерноземной и степной зон бывшего СССР; Гомельским комбайновым заводом - для зерноуборочных работ; Харьковским заводом тракторных самоходных шасси - для фермерских хозяйств, дорожного строительства, аэродромного обслуживания. МЭС также разрабатывались рядом зарубежных фирм: западногерманской AGG, французской Vandel, финской Valmet и многими другими.

В работе Яцкевича В.В., Лысенко А.Н. [1] рассматриваются одноосные варианты энергетических модулей с колесной формулой 2К2, которые разрабатывались на Харьковском заводе тракторных самоходных шасси. Разработкой и созданием таких энергетических модулей занимались и зарубежные фирмы, такие как западногерманская AGG, французская Vandel. Такие модели рассмотрены в учебном пособии В.Т. Надыкто с соавторами [2] и статье Г. Д. Петрова, В. А. Хво-стова, В.В. Золотарева, А.В. Большакова А.Н. Калюжного [3].

Макетные образцы двухосных энергетических модулей с колесной формулой 4К4 описаны в статье Г.М. Кутькова [4] и работе [2]. Такие модели были созданы НПО НАТИ совместно с ГСКБ по универсальным пропашным тракторам на базе серийного трактора МТЗ-142 с мощностью двигателя 110 кВт -МЭС-150 и 134 кВт - МЭС-200, на базе серийного трактора МТЗ-80 - создан МЭС-80, и на базе серийного трактора Т-150К -МЭС-300 с мощностью двигателя 190 кВт.

Можно отметить оригинальную модель энергетического модуля «Steyr-8300», «Steyr-8300A», разработанную австрийской фирмой Steyr с набором сельхозмашин фирмы Petinger. Такая модель описана в работах [2, 5].

Прототипом «Steyr-8300» можно считать УЭС «Полесье-250» с кормо-, свекло- и зерноуборочными модулями (Белоруссия, Гомельский комбайновый завод) [2, 6].

Завершением разработок в этом направлении считается создание конструкции УЭС «Ксе-рион» фирмы «Клаас», показанной в работе соавторов Погорелого Л., Коваль С., Шуринова В., Саенко В. [6].

Трехосные энергетические модули были описаны в статьях [2, 7 - 11]. Такие модули были разработаны: ВИМом на базе тракторов Т-150К и К-701 [2]; ВИСХОМом на базе самоходного шасси класс 2,5...3,3 с колесной формулой 6К4 или 6К6 [7 - 10]; финской фирмой Valmet с колесной формулой 6К4 [11].

В работе [2] приведены попытки создания многоосных энергетических модулей с мощностью двигателя 330.736 кВт и выше. Например, американской фирмой Versatile был создан и испытан трактор Big Roy с двигателем мощностью 442 кВт.

Однако как теоретические разработки, так и практика создания новых образцов мобильной техники не отвечают принципам полноты и системности.

Цель исследования

Целью данного исследования является анализ функциональных возможностей и конструктивных особенностей мобильной техники исходя из позиций системного подхода.

Анализ существующих моделей

Использование МЭС в сельскохозяйственном производстве позволяет повысить рентабельность за счет оптимального управления технологическими режимами при выполнении механизированных работ [12], снижения погектарного расхода топлива, снижения металлоемкости, снижения трудозатрат. Так, при разработке и создании одноосных энергетических модулей для фермерских хозяйств с колесной формулой 2К2 на Харьковском заводе тракторных самоходных шасси за основу брались следующие требования: минимальная материалоемкость и цена; универсальность и минимизация номенклатуры; высокая маневренность (способность разворачиваться на мелкоконтурных и неудобных для другой техники участках); минимизация трудозатрат на эксплуатацию и ремонт, позволяющая снизить себестоимость сельскохозяйственной продукции [13].

В основе такого одноосного энергетического модуля МЭС-0,6 использовалась база серийного самоходного шасси Т-16 МГ. МЭС-0,6 мог агрегатироваться с различными машинами для подготовки почвы, посева и ухода за растениями [13].

Принципиальная схема таких МЭС (на базе одноосного трактора с колесной формулой 2К2) получила определение жесткостыкуе-мых агрегатов, допускающих разъем как по вертикали, так и по горизонтали [14].

Жесткостыкуемые МЭС в основном предназначены для механизации работ на малых животноводческих фермах, мелкоконтурных полях, в агроцехах промышленных предприятий, селекционных и сортоиспытательных участках. Мощность двигателя таких МЭС находилась в пределах 22.33 кВт [1]. На основе одноосного трактора с колесной формулой 2К2 путем жесткого соединения с ним различных модулей можно получить следующие мобильные средства: транспортный; транспортно-технический; самоходное шасси; универсальный трактор с колесной формулой 4К4; самоходный комбайн; кормораздаточный агрегат; погрузчик и др. [1].

Западногерманская фирма AGG разработала одноосный тяговый модуль PU мощностью 115 кВт многоцелевого назначения, оснащенный кабиной, передней и задней сцепка-

ми, позволяющими агрегатировать орудия для пахоты, боронования посева, уборки зерновых и корнеплодов [2, 3].

Одноосные тяговые энергетические модули мощностью 92, 120 и 150 кВт выпускала также французская фирма Vandel [2, 3].

Недостатком одноосной конструкции является полная потеря ею в автономном положении качеств самостоятельной транспортной единицы [2].

Проблема автономного передвижения может быть решена двумя путями: введением переднего и заднего унифицированных стыковочных узлов и использованием технологических модулей (ТМ), присоединяемых к незанятому стыковочному узлу; применением специальной тележки, присоединяемой к задней навесной системе [13].

Заслуживают внимания двухосные модели МЭС, создаваемые на базе серийных тракторов МТЗ-142, Т-150К, МТЗ-80.

На базе серийного трактора МТЗ-142 НАТИ совместно с ГСКБ по универсальным пропашным тракторам был разработан МЭС-200, который состоял из энергетического модуля (серийный трактор МТЗ-142) с забалластированным транспортно-техноло-гическим модулем (ТТМ). Технологический модуль имеет независимый ВОМ. В качестве заднего навесного устройства ТМ использовался механизм навески трактора Т-150К [2].

Наличие двух навесных механизмов, разветвленной сети отбора мощности двигателя, грузовой площадки УТМ и т.д. позволяло эффективно использовать МЭС-200 для составления на его основе комбинированных агрегатов при реализации интенсивной и других технологий возделывания сельхозкультур [2, 5].

Эффективность МЭС-200 была подтверждена при использовании энергетического модуля с жаткой ЖВН-6Б, разработанной конструкторским бюро «Бердянсксельмаш», для скашивания зерновых культур в валки. Такая жатка отличалась от комбайнового варианта наличием адаптера для ее навешивания на задний навесной механизм энергетического модуля МЭС-200.

МЭС-200 агрегатировался с сельхозмашинами, предназначенными для выполнения работ в агрегате с тракторами Кл.3.

Применение МЭС-200, по сравнению с базовыми пахотными МТА, позволяло повысить сменную производительность новых агрегатов на 35... 37%, а расход топлива снизить не менее чем на 17% [2].

Однако отсутствие на ТТМ независимого ВОМ снижало возможность агрегатирования такого МЭС с сельхозмашинами к трактору Кл.3, требующими привода от ВОМ [5].

На базе серийного трактора Т-150К был создан МЭС-300 с мощностью двигателя 190 кВт [2].

Энергетический модуль МЭС-300 общего назначения отличался от серийного трактора Т-150К наличием синхронного привода ВОМ и двигателя СМД-601. Последний был оборудован корректором - переключателем, позволяющим в полевых условиях осуществлять перерегулировку дизеля с мощности 162 кВт на мощность 190 кВт.

Технологический модуль МЭС-300 был выполнен на базе заднего моста трактора Т-150К. Все его узлы, за исключением навесного и переднего сцепного механизмов, -штатные. Заднее навесное устройство позаимствовано от трактора К-700.

При сравнительных испытаниях МЭС-300 с серийными тракторами были получены следующие экономические показатели [2]:

- сменная производительность МЭС-300 на 66,3% больше в сравнении с МТА на базе гусеничного трактора Т-150 и на 68,0% в сравнении с агрегатом на основе колесного энергетического средства Т-150К. Основная производительность у МЭС-300 выше на 68,0 и 73,9% соответственно; обеспечивалось это за счет большей в 1,6 раза ширины захвата и на 5 - 9% большей скорости рабочего движения;

- экономия погектарного расхода топлива пахотного МТА на основе МЭС-300 в сравнении с агрегатом на базе гусеничного трактора составляла 20,1%, а колесного 43,9%. За счет высокой производительности нового агрегата удельные затраты металла ниже: в

сравнении с базовым гусеничным МТА - на 3,4% и с колесным - на 8,5%.

За счет своей достаточно высокой функциональности и универсальности МЭС-200 и МЭС-300 присуще множество схем присоединения к нему технологических частей МТА.

МЭСы могут агрегатироваться практически со всеми прицепными, полунавесными и навесными с.-х. машинами и орудиями, включая большегрузные седельные полуприцепы. Это возможно за счет установки на ТМ се-дельно-сцепного устройства (ССУ). Благодаря этому МЭСы можно использовать также в транспортных и тягово-приводных режимах [2].

Использование МЭС на транспортных работах возможно с большегрузными прицепами и с седельными полуприцепами.

На базе серийного трактора МТЗ-80 был создан МЭС-80 - универсально-пропашного назначения тягового класса 1,4.. .3.

МЭС-80 оборудовался синхронным ВОМ, делающим 3,5 оборота на 1м пройденного пути. В связи с этим технологический модуль МЭС-80 имел другое передаточное число согласующего редуктора и больший размер шин (16,9x38" вместо 16,9x30 ") [2].

Австрийская фирма Steyr разработала и выпускала малыми сериями оригинальную модель мобильного энергетического средства «Steyr-8300», «Steyr-8300A» с набором сельхозмашин фирмы Petinger [2, 6]. По возможности агрегатирования это средство напоминало реверсивный трактор «push-pull» (тяни -толкай). У «Steyr-8300» практически отсутствовало понятие передней и задней осей. В обоих направлениях хорошая обзорность, удобное расположение органов управления, реверсируемая трансмиссия. Высокая энергонасыщенность - 42 кВт/т позволяла создать ряд машин различного назначения с активными рабочими органами. Применение комбинированного привода (гидрообъемного -на ходовые колеса и механического - на ВОМ) было направлено на получение высокого КПД трансмиссии в целом.

Недостатком «Steyr-8300» являлась плохая приспособленность для выполнения тяговых операций. «Steyr-8300» не получил распро-

странения в сельхозпроизводстве [2]. Специалисты фирмы 81еуг на основе тягового и технико-экономического анализов пришли к выводу, что для тракторов мощностью до 110 кВт наиболее оптимальной является схема с передними колесами, несколько меньшего размера, чем задние [2]. За счет этого увеличилась грузоподъемность управляемых колес трактора при сохранении удовлетворительной поворачиваемости. Появилась возможность установки переднего навесного устройства, способствующего расширению функциональных возможностей трактора.

УЭС «Полесье-250», являющийся прототипом «81еуг-8300», имел высокую (до 8 т) грузоподъемность передней навески и хорошо агрегатировался с комбинированными навесными и полунавесными - пассивными, грун-тообрабатывающими и уборочными машинами [6]. Это стало возможным благодаря созданию оригинального навесного жатвен-но-молотильного модуля. Благодаря этому прямые издержки на уборке зерновых, по сравнению с комбайном «Дон-1500», снизились в 2,5 раза [6].

Как один из вариантов по реализации концепции модульно-блочной техники рассматривалась возможность создания на базе УЭС-250 зерноуборочных комплексов КЗР-10 «Полесье-Ротор» со сменными адаптерами для уборки кормовых культур, а также доос-нащения УЭС-250 другими модульными агрегатами украинского производства для посева, предпосевной обработки почвы, уборки сахарной свеклы и т.д. [6].

Более универсальным энергетическим средством конца 90-х среди двухосных можно считать УЭС «Ксерион» фирмы «Клаас». Его гидромеханическая коробка передач оснащалась электроуправлением, двигатель располагался в межосевом пространстве, мощная гидросистема, быстро перемещаемая кабина в три положения и др. УЭС «Ксерион» имел высокую грузоподъемность, хорошо агрега-тировался с комбинированными почвообрабатывающими, посевными орудиями и менее удачно - с громоздкими свеклоуборочными и подобными им машинами. Однако он не рассчитан для агрегатирования с крупногабаритными модулями зерноуборочных и кор-моуборочных комбайнов [6].

Трехосный вариант МЭС был разработан ВИМ для нечерноземной и степной зон быв-

шего СССР [2]. Мощность двигателя, выполненного на базе узлов и агрегатов Т-150К, доведена до 184 кВт. Рама жесткая и не имела шарнирных сочленений. Управление МЭС осуществлялось поворотом передних и задних колес с помощью гидропривода. Задний ВОМ позволял отбирать до 80% мощности. Конструкция МЭС позволяла установку емкостей 6.. .8 м3 для семян и удобрений, а также задних и боковых механизмов навески.

Трехосное МЭС аналогичного назначения было разработано ВИМ и на базе трактора К-701, мощность двигателя 330 кВт, продольная база - 6 м, минимальный радиус поворота - 10,75 м [2].

ВИСХОМом был разработан ВЭС-150 для использования в свекло - картофеле - и овощеводстве. ВЭС в сборе представлял собой однобрусное трехосное самоходное шасси класса 2,5.3,5 с колесной формулой 6К4 или 6К6. Он мог использоваться с различными машинами для посева, ухода и других операций возделывания сельхозкультур. Ба-лансирная ходовая система, управляемая с помощью гидроцилиндров, значительно упрощала агрегатирование с орудиями в межосевой зоне путем поднятия переднего моста и «наезда» на них [7 - 10].

Такая же идея использовалась французской фирмой Dehondt при создании приставки PRM-200, которая стыковалась с колесным трактором в передней его части и имела автономные опорные колеса с шинами [15]. К приставке присоединяются навесные и полунавесные машины фронтального типа.

Финской фирмой Valmet была создана модель трехосного трактора с колесной формулой 6К4, у которого передние движители управляемые, а задние с помощью гидроцилиндра двойного действия могут быть подняты в транспортное положение [11].

Примером создания многоосных МЭС с большой мощностью двигателя может служить созданный и испытанный американской фирмой Versatile трактор Big Roy с двигателем Cummins мощностью 442 кВт [2]. Для снижения удельного давления на почву и обеспечения нормальных тягово-сцепных качеств этот МЭС оборудовался четырьмя подрессоренными осями с восемью ведущими колесами.

Трехосные и многоосные ЭС реального применения в сельскохозяйственном производстве не нашли из-за большой конструктивной сложности, недостаточной маневренности, низкой годовой загрузки в течение года [2].

Выводы

1. В настоящее время промышленность выпускает различные виды мобильной техники. Одна из тенденций развития этой техники -модульное ее построение, что связано с повышением эффективности, прежде всего за счет расширенных функциональных возможностей и оптимизации конструктивных параметров.

2. Перспективными направлениями развития являются: появление дополнительных модулей, применение вариативности и трансфор-мерности, увеличение энергонасыщенности и уровня автоматизации с одновременным повышением надежности.

3. Имеющиеся теоретические работы по мобильной технике являются недостаточными и подлежат дальнейшему развитию.

Направлением дальнейшего развития данных исследований следует считать анализ новых видов и типов мобильной техники с позиции ее информатизации и интеллектуализации.

Литература

1. Яцкевич В.В., Лысенко А.Н. О разработке

трактора с колесной формулой 2x2 и же-сткостыкуемых агрегатов на его базе // Тракторы и сельхозмашины. - 1984. -№6. - С. 8 - 11.

2. Новi мобшьш енергетичш засоби Украши.

Теоретичш основи використання в зем-леробствк Навч. поабник / В.Т. Надикто, М.Л. Крижачювський, В.М. Кюрчев, С.Л. Абдула, 2006. - 337с .

3. Петров Г.Д., Хвостов В.А., Золотарев В.В.,

Большаков А.В., Калюжный А.Н. Модульные принципы построения самоходных с.-х. агрегатов // Тракторы и сельхозмашины. - 1984. - №4. - С. 7 - 10. 4. Кутьков Г.М. Исследования модульного энерготехнологического средства // Тракторы и сельскохозяйственные машины. -1989. - № 12.

5. Кутьков Г.М. Ксеневич И.П. Блочно-

модульные МТА // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 1990. - №1. -С. 8 - 10.

6. Погорелый Л., Коваль С., Шуринов В.,

Саенко В. Модульно-блочные уборочно-транспортные машины нового поколения. Развитие конструкций и концепция разработки универсальных энергосредств и комплексов машин // Техшка АПК: Науково-техшчний журнал. - №1, 1999. - С. 6 - 9.

7. Петров Г.Д. Перспективы создания высо-

копроизводительных самоходных машин для индустриального производства корнеклубнеплодов и овощей // Тракторы и сельхозмашины. - 1982. - №4.

8. Петров Г.Д., Хвостов В.А. Возделывание

пропашных культур с единой унифицированной базовой колеей // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1984. - №2.

9. Петров Г.Д. Модульные принципы по-

строения самоходных с.-х. агрегатов // Тракторы и сельхозмашины. - 1985. -№4.

10. Петров Г.Д. Создание самоходных сель-

хозмашин на базе высвобождаемого

энергетического модуля // Тракторы и сельхозмашины. - 1987. - №12.

11. Гумилевский Ю.Н. Трехосный трактор

«Уа1ше1 1502» // Тракторы и сельхозмашины. - 1978. - №2.

12. Лебедев А.Т. Наука про трактори: про-

блеми та ршення / Вюник Харюв. нац. техшч. ун-ту сшьського господарства iменi Петра Василенка. - Харюв, 2007. - Вип. 60. - С.5 - 14.

13. Хвостов В.А., Селифанов С.Е. Модульное

построение машин для фермерских хозяйств // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 1990. - №10. - С.4 - 7.

14. Яцкевич В.В. О принципе модульного

построения сельскохозяйственных мобильных агрегатов // Тракторы и сельхозмашины. - 1982. - №10.

15. Беляев Н.М. Мощные и сверхмощные

колесные с.-х. тракторы за рубежом // Тракторы и сельхозмашины. - 1986. -№5.

Рецензент: В.И. Клименко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 14 апреля 2009 г.