СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ТРАКТОР
AGRICULTURAL TRACTOR

Область техники
Изобретение относится к тракторам, преимущественно сельскохозяйственным, а именно к кабинам оператора и специальным соединениям тракторов с сельскохозяйственными машинами.
Уровень техники
Производство сельскохозяйственной продукции сопряжено с необходимостью механизированного выполнения в полевых условиях огромного количества технологических операций.
Преобладающее большинство из них выполняются с помощью различных мобильных агрегатов, состоящих из тягового средства с навесными или прицепными машинами.
В качестве основного тягового средства используются колесные или гусеничные тракторы различных модификаций.
Основным элементом трактора в общем виде являются: двигатель, силовая трансмиссия, навесные и прицепные устройства для соединения с с/х машинами, ходовая система (гусеничная или колесная), кабина с органами управления и остов рамный или безрамный, на котором закрепляются все элементы трактора.
Несмотря на широкое многообразие колесных тракторов, они, как показывает практика, не обладают желаемой универсальностью, обеспечивающей их максимальное использование в течение всего календарного года за счет использования только задней гидрофицированной навески трактора (ЗГНТ).
Некоторое увеличение сезонной загрузки тракторов чаще всего обеспечивается за счет установки дополнительно передней гидрофицированной навески трактора (ПГНТ).
Реже расширение универсальности обеспечивается созданием тракторов с реверсивным управлением. В таком тракторе рабочее место оператора вместе с органами управления внутри кабины поворачивается на 180 градусов и меняется направление рабочего движения.
Более высокой универсальностью обладают так называемые интегральные тракторы. Обычно это тракторы с примерно по центру расположенной кабиной и одинаковыми передними и задними парами колес и одинаковыми навесными устройствами спереди и сзади трактора (ПГНТ и ЗГНТ). Естественно, в таких тракторах органы управления выполнены реверсивными с возможностью их поворота на 180 градусов.
Органы управления в таких тракторах разворачиваются на 180 градусов внутри кабины вместе с сиденьем оператора. Это приводит к неизбежному увеличению периметра кабины и ее объему, что резко повышает ее стоимость.
Решающее преимущество интегральных тракторов проявляется только при междурядной обработке растений на очень коротком периоде потребности в них.
В общем же по сложности и соотношению цена-польза эти тракторы проигрывают универсальным, что является решающим фактором, сдерживающим их широкое применение.
С гусеничными тракторами ситуация еще сложнее.
Если исключить агрегатируемые с ним на постоянной основе специализированные машины, дождевальные установки, погрузчики, траншеекопатели, буровые установки и т.д., то в полеводстве они используются только как тяговые средства в основном с прицепными реже с навесными машинами, агрегатируемыми только сзади.
Хотя по экологическим параметрам гусеничный трактор значительно превосходит все колесные модели, но из-за недостаточной комфортности, а также из-за некоторых ограничений при движении по дорогам общего пользования, загрузка гусеничных тракторов остается довольно низкой.
Применение резинометаллических или резинотросовых гусениц позволяет уменьшить их недостатки.
Но применение гусениц, отличных от металлических, сдерживается относительно высокой стоимостью самих гусениц и особенно сложностью и стоимостью их приводов.
Недостаточную универсальность тракторов разработчики пытаются компенсировать созданием или дорогих узкоспециализированных самоходных машин и комбайнов с весьма коротким периодом использования, или, так называемых, универсальных энергетических средств (УЭС), или мобильных энергетических средств (МЭС).
В конечном счете создание УЭС или МЭС основано на поиске оптимальной компоновки базовых элементов: силовой установки, ходовой системы и кабины оператора, обеспечивающих повышение универсальности их использования.
При всей своей привлекательности мобильные энергетические средства (МЭС) не получают широкого распространения.
Основной сдерживающей причиной является необходимость замены основного шлейфа существующих сельскохозяйственных машин, агрегатируемых с универсальными тракторами, а также всех самоходных машин и комбайнов на специальные адаптеры, агрегатируемые с МЭС, что является технически и экономически трудно решаемой задачей.
Общим для всех типов тракторов, самоходных машин и МЭС является то, что они содержат кабины для операторов.
К кабинам предъявляются бескомпромиссные и очень жесткие требования как по прочности, так и по обеспечению комфортных условий труда для оператора: по шуму, пыли, обзорности, вибрации и т.д.
Обеспечение этих требований ввиду обстоятельств, вызванных рядом противоречий технической моды, обходится очень дорого.
Например, в сверхсжатую моноблочную форму трактора (особенно классических моделей) вписывается кабина, которая буквально «обтекает» механизмы трактора, что неизбежно вынуждает находить изысканные и весьма недешевые способы изоляции оператора от тех же механизмов: шум, вибрация, тепло и т.д.
Одним из таких наглядных противоречий в этом плане являются уникальные технические решения по подрессориванию переднего моста колесного трактора.
«Влитая» в трактор и прочно с ним связанная кабина неизбежно передает все колебания трактора на оператора, ухудшая условия труда и комфортность.
Если исходить из среднего веса оператора 85 кГ, то при весе всего трактора в 6000 кГ его вес будет составлять всего 1.5% от общего веса трактора.
Для того чтобы исключить негативное влияние колебаний трактора на оператора, вес которого составляет всего лишь 1.5% от общего веса трактора, изобретаются высокотехнологичные и почти гениальные способы амортизации всего трактора.
Поэтому стоимость кабины и сопутствующие с ней затраты в этом плане могут достигать 30% и более от общей стоимости трактора
Далее приводятся достоинства и недостатки известных решений, являющихся прототипами для предлагаемого изобретения.
Это патент RU 2458881 [1], патент RU 2465755 [2] и энергетическое средство Xerion 3300.
Частичное решение описанных выше противоречий реализовано в универсальном энергетическом средстве Xerion 3300.
Основными отличительными свойствами являются:
- возможность работы энергосредства в реверсивном режиме с абсолютно одинаковыми навесными системами;
- возможность оперативного изменения положения кабины на 180 градусов при подготовке к эксплуатации энергосредства с теми или иными машинами;
- возможность установки машин или их элементов непосредственно на несущую раму энергосредства не только при крайнем, но и при среднем расположении кабины;
- возможность работы с фронтальными машинами, жатками, косилками и т.п. при крайнем расположении кабины.
Основным недостатком этой схемы является то, что:
во-первых, по такой схеме можно изготовить энергосредство только высокой и очень высокой мощности не менее 200 кВт. Это объективно обусловлено конструктивным исполнением механизма реверсирования кабины, габаритно-массовые характеристики которого не совместимы с массами и габаритами тракторов средней и особенно малой мощности;
во-вторых, кабина в этом случае обязательно должна быть каркасной и высокопрочной и, как следствие, явно недешевой и тем более нелегкой.
В патенте [1] предложены способ и устройство многомашинного агрегатирования трактора с применением дополнительных, агрегатируемых с трактором платформ.
Принципиальным преимуществом такой схемы является то, что универсальность обычного трактора значительно повышается за счет дополнительных двух навесных систем, установленных на платформе.
При этом в конструкцию серийного трактора не вносятся какие-либо изменения, а агрегатирование платформы обеспечивается за счет установки дополнительно сцепного бруса, устанавливаемого на штатные крепежные элементы трактора.
Сельскохозяйственные машины могут навешиваться на переднюю и заднюю навесные системы трактора (ПГНТ, ЗГНТ), а также на переднюю и заднюю навесные системы платформы (ПГНП, ЗГНП).
Кроме того, элементы машин или их составные части могут быть закреплены непосредственно на самой платформе - сверху, сбоку - слева или справа, а также сзади.
По этому способу можно собрать практически бесконечную комбинацию агрегатов, состоящих из обычных серийных машин, использование которых возможно при этом автономно и независимо.
Это позволяет значительно увеличить годовую загрузку универсального классического трактора и увеличить его эффективность
Путем расчленения сложных и особенно самоходных машин на ряд последовательно работающих элементов на базе платформ можно создавать зерноуборочные, картофелеуборочные, свеклоуборочные и т.д. комплексы.
При этом автоматически исключаются необходимость в ходовых системах, энергетических установках и кабинах для них, а также значительно снижаются или полностью исключаются затраты на приобретение сложной самоходной техники, резко повышается годовая загрузка трактора.
Основными недостатками такой схемы являются:
- во-первых, сложность сцепки платформы с поперечным брусом трактора, особенно в случае с колесными тракторами;
- во-вторых, для работы с фронтальными машинами (например, жатками) нужен специальный трактор с реверсивным управлением;
- в-третьих, по такой схеме весьма проблематично соединить платформу с интегральным трактором и с трактором с шарнирно сочлененной рамой;
- в-четвертых, используемый классический трактор со своей типовой кабиной сохраняет за собой все присущие ему недостатки и из-за габаритов кабины и ее конструкции может осложнить, или конструкцию платформы или работу с ней;
- В-пятых, технически сложно при задействованной в работе задней навески трактора (ЗГНТ) организовать передачу крутящего момента на платформу через задний ВОМ, ось которого расположена горизонтально.
В патенте [2] предложен трактор с кабиной, подвешенной на дуге безопасности.
Очевидные достоинства этой схемы проявляются в том, что кабина «оторвана» от механизмов трактора и защищена простой по конструкции, но очень прочной дугой безопасности с установленной на ней подвижно так называемой позиционной кабиной (КП).
Это позволяет изготавливать очень легкие и очень дешевые кабины вплоть до объемного литья их из пластмасс.
А возможность позиционировать кабину в соответствие с режимом движения позволяет создать оптимальные условия труда для оператора. Кроме того, такое решение позволяет устанавливать кабину вместе с дугой безопасности спереди, по центру, сзади практически в любом месте на тракторе при его изготовлении.
Основными недостатками такой схемы являются:
- во-первых, плоскостная рамка не обеспечивает абсолютных гарантий несминаемости кабины при опрокидывании трактора особенно в условиях пересеченной или горной местности, на лесных разработках и т.д.;
- во-вторых, даже у подвешенной по трем степеням свободы кабины не предусмотрена возможность развернуть ее с органами управления на 180 градусов;
- в-третьих, невозможно перемещать кабину с дугой безопасности вдоль трактора при его эксплуатации оперативно одним оператором в удобное для него место.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в том, чтобы создать трактор, компоновка и конструкция которого позволили бы повысить универсальность колесных и гусеничных тракторов, сохранив достоинства и преимущества классических моделей, оптимизировать затраты, направленные на обеспечение безопасности с одновременным повышением их универсальности до мобильных энергетических средств.
При этом необходимо исходить из того, что:
каждый трактор эксплуатируется в определенных агроландшафтных условиях и на типовых для конкретного потребителя технологических операциях.
Поэтому компоновка трактора для каждого потребителя должна быть оптимальной по соотношению цена-польза и вариантные затраты изготовителя трактора при этом должны быть минимальными.
Поэтому с точки зрения повышения безопасности и предотвращения возможности сминания кабины при опрокидывании трактора минимально затратным, но достаточно надежным вариантом является установка спереди дублирующей рамки или дуги безопасности.
Высота этой дуги должна быть такой, при которой между линией, проведенной через крайние верхние точки основной и дублирующей рамки безопасности и остовом трактора, оставалось бы не менее 60% полезного объема кабины.
При вероятном опрокидывании трактора на кабину на равнинных ландшафтах между линией безопасности и остовом трактора оставался бы гарантированный жизнебезопасный объем кабины.
Подвеска мостика управления на лонжеронах подвески должна быть шарнирной, обеспечивающей поворот его вместе с позиционной кабиной (КП) относительно вертикальной оси на 180 градусов, т.е. кабина становится позиционно-реверсивной (КПР).
Это позволит эксплуатировать трактор в реверсивном режиме.
Так как кабина устанавливается на рамке, то для обеспечения оптимального агрегатирования трактора с указанными выше платформами рамку вместе с кабиной можно сместить вперед ближе к центру трактора.
В освободившемся пространстве над задним мостом можно установить дополнительное заднее опорно-сцепное устройство (ЗОСУ).
С помощью ЗОСУ может производиться агрегатирование трактора с платформой [6]. Кроме того, ЗОСУ может быть снабжено независимым валом отбора мощности, вал которого располагается вертикально для обеспечения возможности передачи крутящего момента на платформу (ЗВВОМ) независимо от горизонтального ГВОМ.
При этом ЗОСУ, желательно, устанавливать как можно ближе к центру тяжести трактора по ходу вперед за вертикальной линией оси заднего колеса.
Такая установка ЗОСУ позволит дополнительно догрузить трактор за счет веса платформы и навешенных на ней орудий.
При эксплуатации трактора на пересеченной местности, в горных условиях или на лесоразработках дублирующей рамки безопасности может быть недостаточно для обеспечения гарантий несминаемости или опасного повреждения кабины.
Для таких условий вместо основной дуги безопасности и дублирующей рамки на тракторе может быть установлен несущий защитный каркас, внутри которого располагается позиционная (КП) или позиционно-реверсивная кабина (КПР).
Максимальная же универсальность трактора, не уступающая универсальным МЭС, может быть достигнута путем установки так называемой мобильной (МК) кабины. Это позиционно-реверсивная кабина (КПР), способная перемещаться в оперативном режиме вдоль по трактору.
С этой целью на тракторе устанавливаются продольные направляющие, по которым может двигаться дуга или каркас безопасности с установленной в них кабиной от возможных крайней передней до крайней задней точек трактора.
При этом на тракторе спереди также может быть установлено переднее опорно-сцепное устройство (ПОСУ), аналогичное заднему.
Такие предпочтительные примеры исполнения трактора, являющиеся предметом защиты, раскрыты в дальнейших пунктах формулы предлагаемого изобретения:
На Фиг.1 схематично изображено на виде сбоку вариантное исполнение гусеничного трактора, оборудованного несущей дугой безопасности с позиционной кабиной (КП) и дублирующей рамкой безопасности, задним ЗОСУ и вертикальным ЗВВОМ.
На Фиг.2 схематично изображено на виде сбоку вариантное исполнение колесного трактора, оборудованного несущей дугой безопасности с позиционной кабиной (КП) и дублирующей рамкой безопасности, задним ЗОСУ и вертикальным ЗВВОМ.
На Фиг.3 схематично представлен на виде сбоку пример агрегатирования оборудованного позиционной (КП) кабиной ЗОСУ и вертикальным ЗВВОМ колесного трактора с платформой с помощью заднего опорно-сцепного устройства (ЗОСУ).
На Фиг.4 схематично на виде сбоку представлено вариантное исполнение реверсивного колесного трактора с позиционно-реверсивной кабиной (КПР), установленной в несущем защитном каркасе безопасности и развернутой на 180 градусов.
На Фиг.5 схематично на виде сбоку изображен гусеничный трактор с мобильной (МК) кабиной в несущем защитном каркасе безопасности и передним опорно-сцепным устройством (ПОСУ).
На Фиг.6 схематично на виде сбоку представлено вариантное исполнение интегрального трактора, оборудованного «мобильной» кабиной (МК) с задним (ЗОСУ) и передним (ПОСУ) опорно-сцепными устройствами.
На Фиг.7 схематично на виде сбоку представлено вариантное исполнение колесного трактора с шарнирно-сочлененной рамой оборудованного позиционно-реверсивной (КПР) кабиной с задним опорно-сцепным устройством (ЗОСУ) и задним вертикальным ВОМ (ЗВВОМ).
На представленных чертежах использованы позиции со следующими обозначениями:
1. Гусеничный трактор.
2. Дуга безопасности несущая.
3. Направляющая.
4. Каретка.
5. Лонжероны.
6. Вибро-шумоизолирующие подушки.
7. Площадка управления.
8. Кабина позиционная (КП).
9. Дублирующая рамка безопасности.
10. Задняя гидрофицированная навеска трактора (ЗГНТ).
11. Передняя гидрофицированная навеска трактора (ПГНТ).
12. Заднее опорно-сцепное устройство (ЗОСУ).
13. Задний горизонтальный ВОМ (ЗГВОМ).
14. Задний вертикальный ВОМ (ЗВВОМ).
15. Колесный трактор.
16. Дублирующая рамка.
17. Дуги безопасности.
18. Платформа.
19. Сцепной брус платформы.
20. Карданный вал.
21. Угловой редуктор.
22. Несущий защитный каркас.
23. Кабина позиционно-реверсивная (КПР).
24. Вертикальный шарнир.
25. Гусеничный трактор.
26. Продольные направляющие.
27. Подвижный защитный каркас.
28. Опоры каркаса подвижные.
29. Мобильная кабина (МК).
30. Переднее опорно-сцепное устройство (ПОСУ).
31. Интегральный трактор.
32. Трактор с шарнирно сочлененной рамой.
На Фиг.1 схематично изображен гусеничный трактор 1 с установленной на нем несущей дугой безопасности 2. Внутри дуги безопасности расположена направляющая 3, по которой движется каретка 4, имеющая лонжероны 5.
На лонжеронах 5 с помощью виброшумоизолирующих подушек 6 крепится площадка управления 7. Площадка вместе с органами управления и сиденьем оператора накрывается позиционной кабиной 8.
Для снижения опасности сминания кабины при опрокидывании трактора спереди на раме трактора 1 устанавливается дублирующая рамка безопасности 9 П-образной формы, охватывающая капот двигателя поперек и сверху.
Высота рамки 9 выбирается такой, при которой между линией, проведенной через крайние верхние точки несущей дуги безопасности 2 и верхней точкой дублирующей рамки 9 и остовом трактора, оставалось не менее 80% полезного объема кабины (пунктирная линия на Фиг.1)
Несущая дуга безопасности 2 смещена по ходу вперед, а кабина 8 при этом практически располагается по центру трактора.
Сзади на освободившемся пространстве дополнительно к задней гидрофицированной навеске трактора (ЗГНТ) 10 и передней (ПГНТ) 11 устанавливается заднее опорно-сцепное устройство (ЗОСУ) 12.
Также дополнительно к штатному заднему горизонтальному валу отбора мощности трактора (ВОМ) рядом с ЗОСУ 12 устанавливается дополнительный задний ВОМ 14, вал которого расположен вертикально (ЗВВОМ)
Смещение кабины вперед ближе к центру тяжести трактора снижает эффект галопирования и воздействие его на кабину и, как следствие, улучшает условия труда оператора.
На Фиг.2 показано вариантное исполнение колесного трактора с повышенной безопасностью от сминания кабины. Отличительной особенностью является то, что на раме колесного трактора 15 дублирующая рамка 16 выполнена с расположенными по бокам дугами безопасности 17.
Такая рамка функционально идентична рамке 9 с той лишь разницей, что не ограничивает обзорность спереди.
На колесном тракторе 15 также устанавливаются сзади смещенной кабины 8 дополнительное ЗОСУ 12 и вертикальный ЗВВОМ 14.
В вариантном исполнении возможно расширение диапазона перемещений кабины поперек трактора путем установки направляющей 3 не внутри дуги безопасности 2, а сбоку.
На примере колесного трактора (Фиг.3) продемонстрирована возможность агрегатирования трактора 15, оборудованного ЗОСУ 12 и вертикальным ЗВВОМ 14 с платформой 18 (по патенту RU №2465755 [2]).
Сцепной брус 19 платформы 18 входит в зацепление с гнездами ЗОСУ 12 и опирается на него. Телескопическим карданным валом 20 задний вертикальный ВОМ (ЗВВОМ) 14 соединяется с угловым редуктором 21, установленным на платформе 18, с которого мощность механически может передаваться по платформе или на привод навешенных на ней машин или на опорные движители платформы.
Вариантное исполнение тракторов с усиленными мерами безопасности и расширенными функциональными возможностями показаны на примере колесного трактора (Фиг.4).
На колесном тракторе 15, оборудованном задним ЗОСУ 12 и вертикальным ЗВВОМ 14, вместо несущей дуги безопасности 2 установлен жесткий защитный несущий каркас 22, внутри которого может перемещаться вправо и влево позиционная (КП) кабина 8 на каретке 4 по направляющей 3, установленных в задней плоскости каркаса.
Возможность эксплуатации трактора в реверсивном режиме обеспечивается тем, что мостик управления 7 позиционно-реверсивной кабины 23 установлен на вертикальном шарнире 24.
На шарнире 24 кабина 23 может поворачиваться на 180° в любом поперечном положении на направляющей 3.
На примере гусеничного трактора (Фиг.5) схематично показано широко универсальное исполнение трактора, совмещающее в себя функции трактора и частично МЭС (УЭС).
На раме или остове гусеничного трактора 25 вдоль его рамы или остова по бокам жестко закреплены направляющие 26.
Подвижный защитный каркас кабины 27 выполнен подвижным и замкнутым.
Каркас 27 соединяется с направляющими 26 подвижно через опоры скольжения 28, при этом он может перемещаться вместе с кабиной 29 вдоль по трактору между передними и задними крайними точками и фиксироваться в любом удобном для работы положении. А вращающаяся на вертикальном шарнире 24 кабина 29 может разворачиваться на 180°, т.е. кабина может перемещаться по двум координатам в горизонтальной плоскости над остовом трактора.
Функциональные возможности трактора могут быть расширены за счет установки спереди дополнительного сцепного устройства (ПОСУ) 30.
По такой же схеме может быть изготовлен не только колесный универсальный или интегральный трактор, но и трактор с шарнирно сочлененной рамой.
На раме интегрального трактора 31 (Фиг.6) установлены продольные направляющие 26, по которым вдоль по трактору может перемещаться мобильная кабина (МК) 29, размещенная в каркасе безопасности 27.
Для расширения технологических возможностей трактор может быть дополнительно оборудован ПОСУ 30, а также задним вертикальным ЗВВОМ 14.
Аналогично интегральному трактору позиционно-реверсивная кабина и ЗОСУ 12 могут быть установлены и на тракторе 32 с шарнирно сочлененной рамой (Фиг.7), что позволяет использовать трактор не только с классическими машинами, агрегатируемыми с помощью ЗОСУ 12, но и машинами, навешиваемыми, как описано ранее, и на платформы 18, агрегатируемые с трактором 32 с помощью ЗОСУ 12.
Через задний вертикальный ВОМ (ЗВВОМ) 14 мощность двигателя тракторов 31 и 32 может механически передаваться на платформу 18 как на привод опорных движителей платформы, так и на навешенные на ней машины и механизмы.
Кроме описанных выше вариантов исполнения кабин в указанных каркасах могут устанавливаться кабины, оборудованные устройствами курсовой стабилизации положения по патенту [2].
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет адаптировать трактор на выполнение широкого спектра с/х работ в оперативном режиме одним оператором на стадии его рядовой эксплуатации.
Система защиты кабин несущими рамками или каркасами безопасности позволяет снизить стоимость кабины и соответственно стоимость трактора при одновременном повышении комфортности работы в них.
Описанные выше варианты исполнения кабин и защитных устройств для них могут применяться и при изготовлении промышленных, лесопромышленных и других типов тракторов, а также экскаваторов и погрузчиков на их базе.