АНАЛИЗ НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ТРАКТОРОВ В КОНТЕКСТЕ НЕОБХОДИМОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНОГО ОБЛИКА СОВРЕМЕННОГО ТРАКТОРА

АННОТАЦИЯ

В статье приводится анализ эволюции конструктивных особенностей традиционного сельскохозяйственного трактора. Рассмотрены наиболее значимые недостатки и противоречия традиционного трактора сквозь призму необходимости разработки концептуального видения современного трактора. Отмечается, что в концептуальном плане трактор будущего должен быть с электроприводом, комбинированной силовой установкой и адаптацией к технологиям точного земледелия.

ABSTRACT

The article provides an analysis of the evolution of the design features of a traditional agricultural tractor. The most significant shortcomings and contradictions of a traditional tractor are considered through the prism of the need to develop a conceptual vision of a modern tractor. It is noted that, conceptually, the tractor of the future should have an electric drive, a combined power plant and adapted to precision farming technologies.

Ключевые слова: традиционный трактор, механическая трансмиссия, вредные выбросы, электропривод, автоматизация МТА, точное земледелие.

Keywords: traditional tractor, mechanical transmission, harmful emissions, electric drive, MTA automation, precision farming.

Рациональное использование земельных ресурсов и повышение урожайности возделываемых в них культур относится к числу значимых задач сельскохозяйственного производства. В условиях Республики Узбекистан, где в результате роста численности населения, уменьшения объемов водоснабжения и перевода земель сельскохозяйственного назначения в другие категории земельного фонда, «… за последние 15 лет наличие орошаемых земель на душу населения снизилось на 24 процента (с 0,23 га до 0,16 га)», острота проблемы эффективного использования земельных площадей будет лишь нарастать, так как «… согласно прогнозам, в течение следующих 30 лет площади орошаемых земель могут сократиться еще на 20 – 25 процентов». 

Успешное решение указанной проблемы во многом зависит от уровня развития техники, выполняющей основной объем энергоемких земледель-ческих операций в растениеводстве в течении всего сельскохозяйственного года. В свою очередь, сердцевиной сельскохозяйственной техники и своеобразной движущей силой научно-технического прогресса не только в земледелии, но и в целом в сельском хозяйстве, является трактор, формирование конструкции которого восходит своим началом примерно к середине XX-века. И вплоть до сегодняшних дней он подвергался непрерывной трансформации, пока не приобрел современный конструктивный облик в том виде, в котором мы знаем его в наши дни. Наличие дизельного ДВС, ступенчатых механических трансмиссий, механических приводов валов отбора мощности, ходовых систем, гидронавесных систем и командного управления с автоматизированными системами – вот перечень доминирующих характерных особенностей сельскохозяйственных тракторов в нынешнем обличии.

Являясь результатом довольно длительной эволюции конструкторско-технологической мысли, каждая из перечисленных особенностей, в то же время, таит в себе своеобразный диалектический клубок недостатков и противоречий, разрешение которых откроет путь к дальнейшему техническому совершенствованию конструкции трактора на новом уровне. Именно с подобной точки зрения, сквозь призму необходимости выработки концептуального видения конструктивного облика трактора будущего и попытаемся разобраться в этих недостатках и противоречиях во всей их диалектической взаимосвязи.

Одним из существенных недостатков, наиболее ярко отражающих неизбеж­ную причинно-следственную связь конструктивных особенностей сельско­хозяйственного трактора между собой, являются низкие диапазоны скоростного и силового регулирования, не превышающие даже у ДВС совре­мен­ных тракторов 28-33 % от номинальной частоты вращения их валов. Именно этот недостаток и стал причиной введения в конструкцию тракторов механических трансмиссий для ступенчатого регулирования скорости их движения в качестве компенсирующего вышеуказанный недостаток средства [1].

Это и понятно, так как относительная величина диапазона скоростного регулирования ДВС, оцениваемая как отношение номинальной  и минимальной  частот вращения на рабочем участке внешней скоростной характеристики, представленной на рисунке ниже:

                                                    (1)

более, чем на порядок ниже необходимого относительного диапазона скоростного регулирования современного трактора, определяемого как отношение максимальной  и минимальной  скоростей движения трактора соответственно:

                                                                   (2)

Чтобы улучшить скоростные и тяговые характеристики тракторов, в части совершенствования ДВС расширялись диапазоны их скоростного и силового регулирования путем повышения номинальных частоты вращения вала  и мощности N_n Усилия были также направлены на улучшение зависимости мощности от частоты вращения вала N_Д ( ), стремясь максимально приблизить ДВС к двигателям постоянной мощности.

Рисунок 1. Внешняя скоростная характеристика дизельного двигателя [1]

А в части трансмиссий, инженерная мысль шла как по пути совершенствования уже существующих их конструкций, главным образом, путем увеличения максимальной скорости движения трактора и числа ступеней переднего и заднего хода, а также совершенствования переключения передач, так и по пути разработки новых типов трансмиссий. Второй путь привел к появлению, в частности, трансмиссий гидромеханических с гидродинами­ческими и гидрообъемными передачами [2], а также электромеханических постоянного тока [3]. Но ввиду необходимости двух-трех переключаемых ступеней в трансмиссии для достижения требуемого диапазона скоростного регулирова­ния трактора, эти типы трансмиссий не нашли серийного примене­ния, так и оставшись на уровне опытных образцов. Исключением явились лишь гидромеханические двухпоточные трансмиссии, доведенные до практического внедрения на некоторых зарубежных сельскохозяйственных тракторах [4].

С точки зрения улучшения скоростных характеристик тракторов более эффективным оказался первый путь, связанный с совершенствованием механи­чес­кого типа трансмиссий. Но в результате постоянной модернизации, современ­ные тракторные трансмиссии представляют собой сложные массивные механи­чес­кие агрегаты, ступенчатое регулирование которых ограничивает верхний предел загрузки ДВС, а также увеличивает динамическую загруженность сило­вых передач, повышая удельный расход топлива и вредные выбросы отрабо­тан­ных газов. С учетом всех этих недостатков, механической ступенчатой транс­миссии в ближайшей перспективе предрекают завершение жизненного цикла на тракторе, в связи с чем остро встает вопрос поиска ее достойной замены [2].

Более чем вековая эксплуатация в сфере земледелия сельскохозяйствен­ных тракторов с двигателями внутреннего сгорания обернулась возникновением острой экологической проблемы – таким уровнем загрязнения почвы вредными выбросами отработанных газов, что странам пришлось ввести национальные и международные правовые нормы по ограничению и контролю вредных компонентов в зонах мировых рынков сбыта тракторов [5, 6]. Но реализация подобных норм не позволяет решить проблему выбросов кардинальным образом, а лишь снижают скорость загрязнения почвы. Оксид углерода CO, углеводороды CH, оксиды азота NO­_x, углерод C (сажа), диоксид серы SO₂, соединения свинца, альдегиды C_nH_2nO и канцерогенные полициклические ароматические углеводороды, в том числе наиболее опасный из которых бензапирен C₂₀H₁₂ – вот перечень вредных химических соединений, практически непрерывно выбрасываемых тракторными двигателями в окружающую среду в течение многих десятков лет.

Современная научно-техническая мысль ведет непрерывный поиск возможных путей замены ДВС на сельскохозяйственной технике агрофильными силовыми установками с одной стороны, и снижения вредных выбросов отработанных газов и уменьшения расхода минимального топлива с другой. Ведутся работы по переводу ДВС на газовое топливо, многие фирмы работают над их переводом на природный газ [7]. На уровне научных исследований предпринимаются попытки по переводу ДВС на водород [8, 9]. 

Значительного снижения вредного воздействия на окружающую среду и уменьшения расхода топлива можно добиться также устранением ДВС из системы скоростного регулирования трактора и переводом его на стационарный скоростной режим работы в зоне минимального расхода топлива (см.рисунок). Полноценную реализацию подобного подхода можно обеспечить применением в силовой передаче полнопоточной электромеханической передачи по схеме «двигатель внутреннего сгорания – электрогенератор – силовой преобразователь электротока – тяговый электродвигатель» [10]. Можно пойти и по пути комбинации газового ДВС с электромеханической передачей. Возможны также варианты, связанные с полным исключением ДВС из конструкции трактора и заменой его электрохимическим генератором. И наконец, проблему обеспечения трактора электроэнергией можно решить с применением резонансной системы электроснабжения [11-13].   

Появление еще одного существенного недостатка, связанного с большим радиусом поворота, буксованием ведущих колес и переуплотнением пахотного слоя, обусловлено с применением на большинстве колесных тракторов т.н. пассивного поворота, когда поворачивающая трактор сила формируется боковой реакцией почвы на повернутые управляющие колеса. Но при этом, низкая несущая способность почвы и высокое сопротивление движению, не позволяют сформировать боковую силу достаточной величины, чтобы обеспечить успешное осуществление поворота. В результате, трактор испытывает т.н. «бульдозерный» эффект, стремясь сохранить прямолинейное движение. Устранения этого недостатка можно добиться применением активного поворота, формируя поворачивающую силу за счет разности скоростей ведущих колес наружного и внутреннего бортов колес, что возможно лишь при обеспечении раздельного привода ведущих колес бортов, управляемых по необходимому алгоритму. Но наличие механических трансмиссий делает практически невозможной реализацию этой схемы на традиционных тракторах.

Во избежание чрезмерного переуплотнения пахотного слоя вследствие оказываемого трактором давления на почву возникает также необходимость увеличения т.н. пятна контакта, чего можно добиться путем увеличения деформации пневмошины, регулируя в ней величину давления. Но этот способ регулирования пятна контакта не нашел широкого применения на сельскохозяйственных тракторах. И в нынешнем виде пневмошина и колесо также находятся на стадии завершения своего жизненного цикла. В качестве возможной альтернативы может быть рассмотрен вариант безвоздушных шин с упругими элементами, появляющихся в зарубежной шинной промышленности для применения в тягово-транспортных средствах. При этом, жесткость упругих элементов может регулироваться [14].   

Все возрастающее проникновение процессов цифролизации во все сферы жизнедеятельности современного общества высвечивает в области земледелия еще одну проблему, острота которой со временем будет лишь нарастать. Речь о низком уровне автоматизации МТА и внедрения технологий точного земледелия.

Дело все в том, что принципиальное различие сред, в которых работают средства автоматизации с одной стороны, и объекты автоматизации с другой, создает серьезные трудности в решении вопросов комплексной автоматизации МТА и земледелия в целом. И в самом деле, если т.н. командоаппараты, вырабатывающие команды на управление в качестве средств автоматизации, работают в середе электроэнергии, то механические и гидравлические передачи в качестве объектов автоматизации работают в среде механической энергии. И как вынужденная мера, появляются межэнергетические преобразователи, превращающие электрический сигнал в изменение механического или гидравлического силового потока. Но присущая гидравлическим и механическим устройствам инерционность не позволяет обеспечить выполнение требований управления в реальном времени, растягивая во времени процесс переключения силового механического или гидравлического потока.

А между тем, в свете все более нарастающей потребности в точном земледелии, современный МТА должен удовлетворять требованиям управления как трактором, так и рабочими органами сельхозмашин в реальном режиме времени. Успешная реализация этой задачи позволит обеспечить выполнение МТА земледельческих операций с высокой степенью точности с учетом реального плодородия почвы обрабатываемого земельного участка и заданных норм расхода семян, удобрений и ядохимикатов [1].    

Таким образом, традиционный трактор и отдельные его агрегаты практически исчерпывают свой жизненный цикл, и вплотную подходят к рубежу, за которым они не могут больше существовать в нынешнем виде. И ученые, конструктора и земледельцы должны сегодня объединить свои усилия, чтобы, распутывая сложившийся за более чем вековую историю развития традиционного трактора клубок противоречий и недостатков, разработать на этой основе концепцию трактора будущего.

Оттолкнуться при этом необходимо от эксплуатационных свойств, которыми должен быть наделен будущий трактор. Ясно, что он должен быть агрофильным, т.е. не должен разрушать растительный слой, и экологически чистым. Возможное негативное воздействие трактора на обслуживающий персонал и социальную среду должно быть сведено к минимуму, а уровень его автоматизации – максимальным. В концептуальном плане, и с учетом опыта автомобилестроения, возможно это должен быть трактор электроприводный с комбинированной силовой установкой, желательно возобновляемым источником энергии, например солнечной, с высокой приспособляемостью к технологиям точного земледелия на основе максимального использования современных средств автоматизации и информационных технологий.

Список литературы:

1. Тракторы XXI века: состояние и перспективы / С.Н.Поддубко [и др.]. – Минск : Беларуская навука, 2019. – 207 с. – ISBN 978-985-08-2399-1.
2. Выбор типа и параметров современной тракторной трансмиссии / П.А.Амельченко [и др.] // Тракторы и сельхозмашины. 2013. – № 8.
3. Электромеханические трансмиссии гусеничных тракторов. Теория и расчет / П. П.Исаков [и др.]. – Л.: Машиностроение, 1981. – 302 с.
4. Шельцын Н.А. Современные бесступенчатые трансмиссии с.-х. тракторов / Н.А.Шельцын, Л. А. Фрумкин, И. В. Иванов // Тракторы и сельхозмашины. 2011. – № 11.
5. Николаев Е.В. Экологическая диагностика тракторов и самоходных машин / Е.В.Николаев Н.С.Нистратова // Тракторы и сельхозмашины. 2012. – № 8.
6. Трембовольский, Л. Г. Оценка экологической безопасности тракторов, машин и оборудования / Л. Г. Трембовольский, М. И. Грифф // Тракторы и сельхозмашины. 2015. – № 8.
7. Гольтяпин, В. Я. Тракторы на газомоторном топливе / В.Я. Гольтяпин // Тракторы и сельхозмашины. 2015. – № 2.
8. Фомин, В. М. Эффективное применение водородных энергоресурсов в структуре энергообеспечения АПК / В.М.Фомин // Тракторы и сельхозмашины. 2014. – № 6.
9. Фомин, В. М. Анализ перспектив освоения водородных ресурсов в структуре энергопотребления АПК / В. М. Фомин // Тракторы и сельхозмашины. 2014. – № 9.
10. Электрическая тяга и электроотбор мощности с.-х. трактора / П. А. Амельченко [и др.] // Тракторы и сельхозмашины. 2014. – № 9.
11. Трактор NEW HOLLAND NH­². Взгляд в будущее // Современная сельхозтехника и оборудование. 2009. Вып. 3.
12. Стребков Д.С. Никола Тесла и современные проблемы электроэнергетики / Д.С.Стребков // Приводная техника. 2007. – № 1.
13. Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика и экология / Д.С.Стребков // Экология и сельскохозяйственные технологии: агроинженерные решения: материалы 7-ой Междунар. науч.-практ. конф. – СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2011. – Т.1.
14. Анализ возможностей применения безвоздушных шин на автотракторной технике и сельхозмашинах / А. В. Михеев [и др.] // Тракторы и сельхозмашины. 2016. – № 5.