НАВЕСНОЕ УСТРОЙСТВО ТРАКТОРА
TRACTOR HITCH

Изобретение относится к области тракторостроения, точнее к навесным устройствам, являющимся стыковочным узлом между трактором и рабочим сельскохозяйственным орудием, например почвообрабатывающим.
Практически все выпускаемые в мире сельскохозяйственные тракторы оборудованы предназначенными для агрегатирования с рабочим орудием штатными навесными устройствами, как правило, включающими в себя шарнирный четырехзвенный механизм и гидравлическую систему с силовыми цилиндрами, служащими, минимум, для подъема и опускания рабочих органов сельхозмашины (действующие международные стандарты ISO 730, DIN 9674 и ГОСТ 10677-2001). Такие устройства снабжают различными регуляторами (автоматами) - догружателями ведущих колес, стабилизаторами глубины пахоты и т.п., а также другими усовершенствованиями с тем, чтобы снизить негативное влияние силы тяги на ходовую систему тракторов, приводящее к перегрузке отдельных элементов тракторов, в частности ходовой системы, и увеличению давления трактора на почву в результате смещения центра масс. При этом требования, которые предъявляются гусеничными и колесными тракторами к нагружению их ходовых систем, различны. В гусеничных тракторах требуется равномерное распределение нагрузок по каткам. В колесных требуется догрузка задних ведущих колес большего размера и одинаковое нагружение для тракторов с передними и задними ведущими колесами одинакового размера, либо другие варианты.
Так известно навесное устройство трактора, снабженное гасителем колебаний тягового усилия на крюке трактора (RU 2025921, 1995 г.), содержащее помимо упомянутого гасителя, шарнирно закрепленного на раме трактора, две нижние тяги и не меньше чем одну верхнюю тягу, которые также шарнирно с одной стороны связаны с орудием, а с другой - с гасителем; или навесное устройство, содержашее четырехзвенный механизм с нижними и верхними тягами, две из которых для восприятия пиковых тяговых нагрузок выполнены, по меньшей мере, двухсекционными с возможностью линейного смещения одной секции относительно другой с изменением общей длины тяги (RU 2271642, 2002 г.). К недостаткам таких устройств следует отнести некоторую их компоновочную усложненность, а главное, в них не предусмотрены меры по обеспечению требуемого положения центра масс.
Известны навесные устройства тракторов, в которых задача оптимального размещения центра масс решается тем или другим образом (например: US 7353885, 2008 г.; ЕР 2042011 и 2042012, 2009 г.).
Из них наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения определено навесное устройство трактора по патенту ЕР 2042011, предназначенное для агрегатирования трактора с рабочим орудием и содержащее заднюю присоединительную рамку, четырехзвенный механизм, передающий нагрузку от орудия на трактор, образованный двумя нижними тягами и, как минимум, одной верхней тягой, которые посредством шарниров закреплены одними концами на присоединительной рамке, а другими - на тракторе, и силовые подъемные гидроцилиндры, подключенные к гидросистеме.
Навесное устройство по прототипу является многофункциональным, обеспечивающим комплекс перемещений агрегатируемого с трактором орудия в трех плоскостях, что позволяет агрегатировать трактор с широким диапазоном типоразмеров рабочих орудий, но, вследствие этого, устройство конструктивно усложнено и перенасыщено большим числом промежуточных звеньев и связей, в т.ч. исполнительных средств в виде силовых гидроцилиндров, к тому же и тяги в нем также выполнены в виде гидроцилиндров. Алгоритм управления таким устройством сложен и требует мощной энергетической базы для бесперебойного обеспечения функционирования множества гидроцилиндров, осуществляющих упомянутые выше перемещения. Все это приводит к увеличению веса и удорожанию такого навесного устройства, не всегда экономически оправданному из-за того, что многие решаемые им частные задачи на практике пока не имеет широкого востребования. К тому же, как известно, с увеличением числа узлов и связей повышается вероятность отказов в работе устройства. Причем, следует отметить, что в прототипе сохраняется недостаток, присущий практически большинству известных аналогов - это специфичность конструкции для того или иного типа трактора (колесного или гусеничного).
Для снижения затрат и повышения эффективности навески в машинотракторных агрегатах, в частности, с почвообрабатывающими орудиями первоочередным и достаточным является решение проблемы управления нагрузками на ведущие колеса (или опорные катки в варианте гусеничного трактора) в продольной вертикальной плоскости, например, путем целесообразного использования свойств четырехзвенного механизма Чебышева, как передаточного элемента между сельскохозяйственным орудием и трактором, - это и является задачей, решаемой предлагаемым изобретением.
Технический результат, получаемый от использования изобретения, состоит в упрощении и удешевлении навесного устройства при повышении его эксплуатационной надежности, а также в повышении унификационного уровня за счет выполнения устройства универсальным для различных типов тракторов.
Для достижения технического результата в навесном устройстве трактора для агрегатирования с сельскохозяйственным орудием, содержащем заднюю присоединительную рамку, четырехзвенный механизм, передающий нагрузку от орудия на трактор, образованный двумя нижними тягами и, как минимум, одной верхней тягой, которые посредством шарниров закреплены одними концами на присоединительной рамке, а другими - на тракторе, и силовые гидроцилиндры, подключенные к гидросистеме, согласно изобретению механизм, передающий нагрузку от орудия на трактор, выполнен по типу четырехзвенника Чебышева, в котором мгновенный центр вращения лежит в точке пересечения горизонтальной линии размещения осей шарниров нижней тяги с линией, проходящей через оси шарниров верхней тяги, и в нем шарнир крепления на тракторе каждой верхней тяги либо каждой нижней тяги установлен с возможностью перестановки по вертикали с заданными параметрами посредством закрепленного одним концом на тракторе промежуточного рычага, с шарниром которого на другом конце он связан, и штатного приводного механизма, которым дополнительно снабжено устройство.
При этом дополнительные существенные признаки изобретения заключаются в том, что в нем:
- штатный приводной механизм выполнен в виде закрепленного на тракторе управляемого гидроцилиндра, шток которого связан с переставляемым шарниром;
- штатный приводной механизм выполнен в виде поворотной муфты, снабженной электроприводом вращения, и двух соосных стяжек с резьбовыми концами для соединения одной из них с переставляемым шарниром, а другой - с корпусом трактора, которые противолежащими концами с левой/правой резьбой взаимодействуют с ответными резьбовыми отверстиями муфты;
- имеется блок управления работой силовых цилиндров и штатных приводных механизмов, содержащий счетно-решающее устройство, и не менее двух датчиков вертикальных нагрузок на ходовую систему трактора, расположенных на переднем и заднем опорных элементах и соединенных со счетно-решающим устройством блока управления;
- имеется позиционный регулятор глубины пахоты, размещенный на тракторе, или опорное колесо, установленное на используемом орудии, и снабженное датчиком нагрузки или перемещения, связанным с счетно-решающим устройством.
Благодаря предлагаемому техническому решению навесного устройства в нем реализуется способ выравнивания нагрузки на ходовую систему трактора путем изменения кинематики четырехзвенника, и, значит, путем использования возникающего при этом момента силы для регулировочного подъема/опускания орудия, изменяя тем самым схему распределения нагрузки, оптимизируя ее, а это позволяет обеспечить дополнительную балластировку трактора работой навесного устройства или полностью отказаться от балластировки путем навешивания дополнительных масс, что коренным образом меняет подход к вопросам улучшения компоновок тракторов, особенно гусеничных, унификации промышленных и сельскохозяйственных моделей.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг.1 дан общий вид навесного устройства (схема с переставляемым шарниром нижней тяги); на фиг.2 - то же (схема с переставляемым шарниром верхней тяги); на фиг.3 приведена схема автоматического регулятора положением шарниров четырехзвенника.
Установленное на тракторе с центром масс в точке 1 навесное устройство содержит штатный приводной механизм 2, одну или две верхние тяги 3, присоединительную рамку 4 и две нижние тяги 5. Тяги 3 и 5 шарнирами А и Д закреплены на тракторе, а шарнирами В и С на рамке 4 и образуют четырехзвенный механизм, промежуточный между трактором и орудием, выполненный по типу четырехзвенника Чебышева, в котором мгновенный центр вращения (МЦВ) лежит в точке пересечения горизонтальной линии размещения осей шарниров Д и С нижней тяги с линией, проходящей через оси шарниров А и В верхней тяги 3.
Приводной механизм 2 может быть выполнен любым целесообразным образом, например, в виде закрепленного корпусом на тракторе гидроцилиндра (фиг.1 и 2) или в виде поворотной муфты, снабженной электроприводом вращения, и двух соосных стяжек с резьбовыми концами для соединения одной из них с переставляемым шарниром, а другой - с корпусом трактора, которые противолежащими концами с левой/правой резьбой взаимодействуют с ответными резьбовыми отверстиями муфты (на представленных чертежах не показан в виду достаточной известности такой конструкции).
К нижней тяге 5 в точке 6 приложена сила Рцк (для варианта колесного трактора) или Рцг (для варианта гусеничного трактора), направленные в противоположные стороны и имитирующие действие основного силового цилиндра навесного устройства. Разнонаправленность данных сил подчеркивает принципиально разный характер требований к навесным устройствам колесных и гусеничных тракторов, которые до настоящего изобретения практически не учитывались при проектировании.
Опорные элементы тракторов (катки либо колеса) 7 и 9 показаны условно в виде дуг, причем под номером 7 понимается также ведущее колесо.
Шарниры А верхней тяги 3 или шарниры Д нижней тяги 5 выполнены с возможностью перестановки по вертикали в точки Аг/Ак или Дг/Дк (соответственно с индексом «г» - для гусеничного трактора и с индексом «к» - для колесного трактора). Для этого по линии осей шарниров верхних тяг 3 (фиг.2) или по линии осей шарниров нижних тяг 5 (фиг.1) имеются промежуточные рычаги 8, одним концом в точке Е закрепленные на тракторе, а другим концом через дополнительный шарнир связанные с переставляемыми шарнирами А или Д. Рычаги 8 должны располагаться вдоль или по возможности вблизи тяг 3 и 5, чтобы уменьшать силы, действующие на исполнительные органы приводных механизмов 2.
Элементы 7 и 9 контактируют с опорной поверхностью 10. Переднее колесо 11 может быть как ведущим, так и только опорным. Достаточно большое количество катков или колес допускает разные типы тракторов - колесные с большим числом осей или гусеничные, а также другие возможные варианты.
Под действием исполнительного органа приводного механизма 2, например штока гидроцилиндра, по команде от блока управления шарниры А и Д в процессе регулировки переставляются в соответствующую типу трактора точку с индексом «г» или «к», а затем фиксируются в какой-то из этих точек.
Перестановка шарниров в точки крепления ведет к изменениям кинематической связи звеньев четырехзвенника и, следовательно, к соответствующим смещениям мгновенных центров вращения в нужную для конкретного типа трактора точку МЦВк или МЦВг. Поскольку линия действия результирующей силы тяги Р не меняет своего положения в пространстве, то момент от данной силы может в зависимости от смещений МЦВ в одну или другую сторону от нулевого исходного положения активизировать силу самозаглубления плуга, либо силу его выглубления, и тем самым заставлять трактор как бы опрокидываться назад (вариант, нужный для колесного трактора) или вперед (вариант, нужный для гусеничного трактора или для колесного с колесами одинакового размера).
Заданная технологическая глубина пахоты и в том и в другом случае обеспечивается серийными автоматическими регуляторами, которыми снабжаются навесные устройства, как минимум, позиционным регулятором на тракторе, или используется опорное колесо на плуге. Тогда у колесного трактора позиционный регулятор будет управлять основным гидроцилиндром навесного устройства, ограничивая заглубление плуга, а у гусеничного - обеспечивать принудительное заглубление при помощи основного гидроцилиндра, аналогично тому, как пахарь воздействует на конный плуг.
Таким образом в варианте колесного трактора традиционной компоновки произойдет догрузка задних основных ведущих колес, а в гусеничном варианте трактора произойдет выравнивание нагрузки между опорными катками или приближение центра давления к середине опорной поверхности гусеницы. (Поэтому силы Рцк и Рцг от основного гидроцилиндра, управляемого позиционным регулятором, направлены в противоположные стороны.)
Внешними силами, действующими на трактор, являются его вес G, реакция опорной поверхности Ррез и сила тяги Р, линия действия которой в принятой исходной настройке навесного устройства совпадает с МЦВо. Сила Рц будучи внутренней силой способна оказывать влияние на внешнюю силу тяги Р через заглубление или выглубление плуга, которые могут быть заданы, например, позиционным регулятором.
Тогда изменяя положения точек крепления шарниров А или D, придем к соответствующим смещениям МЦВ, которые повлияют на положение Хрез реакции опорной поверхности Ррез, т.к. появятся опрокидывающие моменты. Отсюда: ΔХрез=±Р*L/Ррез, где
ΔХрез - смещение мгновенного центра вращения;
Р - сила тяги;
L - плечо действия силы тяги;
Ррез - реакция поверхности.
Процесс регулирования положения точек крепления навесного устройства может быть автоматизирован (фиг.3), для чего следует предусмотреть возможность изменения длины исполнительных органов механизмов 2 (штоков или стяжек) в зависимости от сигналов датчиков 12, реагирующих на вертикальные реакции не менее чем двух опорных катков или колес, расположенных в передней и задней частях ходовой системы. В частности, при равномерном нагружении ходовой системы сигналы упомянутых датчиков 12 будут одинаковыми, их разность равна нулю. Сравнение сигналов выполняет счетно-решающее устройство 13, которое в свою очередь управляет распределителем 14, изменяющим положение точек крепления А и D четырехзвенника. Количество датчиков 12 не должно быть меньше двух. При минимальном числе датчиков 12 возможно появление ошибки при наезде на отдельное препятствие, для исключения этого необходимо иметь большее число датчиков - в этом случае счетно-решающее устройство 13 будет отсеивать случайные помехи.
Принудительное заглубление плуга непосредственно связано с работой позиционного регулятора навесного устройства трактора и вполне вероятно возникновение ситуации, при которой опрокидывающий момент от силы главного силового цилиндра навесного устройства трактора может оказаться недостаточен для выравнивания нагрузки по опорной поверхности гусеницы. С целью увеличения этого момента следует применить опорное колесо на плуге, которое сможет воспринять дополнительную нагрузку от главного цилиндра или изменить настройку системы, сохраняя технологическую глубину пахоты. Процесс может быть автоматизирован, если установить соответствующий датчик 12 на опорном колесе плуга и включить его в общую цепь регулятора.
Сравнение сигналов способно не только выравнивать нагрузку на опорной поверхности гусениц, но и оптимизировать нагрузки на колеса трактора с учетом распределения веса, давления воздуха в шинах, степени износа протекторов и пр.
Предлагаемое устройство должно включаться в работу после настройки технологической глубины пахоты.