CC BY
50
УДК 631.31
ОБОСНОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К КОМПОНОВКЕ МАЛОГАБАРИТНЫХ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН НА СТАДИИ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Н. И. Наумкин, доктор пед. наук, канд. техн. наук, доцент; В. Ф. Купряшкин, доцент; А. В. Безруков, преподаватель; А. В. Митин, аспирант; Е. В. Сурин, аспирант
ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева», (8-8342) 254386, [email protected]
Рассмотрены вопросы повышения стабильности работы и качества обработки почвы малогабаритными почвообрабатывающими машинами за счет рациональной компоновки их основных элементов (двигателя, привода, рабочего инструмента).
Ключевые слова: малогабаритные почвообрабатывающие машины, стабильность, двигатель, устойчивость, компоновка.
Спектр применения малогабаритных почвообрабатывающих машин (МПМ) очень широк, начиная с сельского и лесного и заканчивая коммунальным хозяйством. Оснащенные дополнительным оборудованием и всевозможными насадками, они применяются для вспашки, культивации, окучивания, нарезки грядок, выкапывания клубней корнеплодов, сплошной и междурядной обработки почвы на ограниченных участках (сады, теплицы, клумбы), для скашивания травы, уборки снега, привода стационарных машин (деревообрабатывающих станков, насосов, генераторов и др.), перевозки грузов на небольшие расстояния (с использованием буксируемых полуприцепов) [1, 4, 7-9, 13, 17, 18]. В связи с этим исследования, направленные на совершенствование конструкции МПМ, являются весьма актуальными. Представленные авторами материалы посвящены вопросам компоновки этих машин, определяющей стабильность их работы.
В дальнейшем будем рассматривать все многообразие МПМ, для чего обобщим их рабочее определение как универсального мобильного энергетического средства на базе одноосного шасси. Чаще можно встретить использование термина «мото-
блок» - разновидность малогабаритного трактора [5]. Это слово вошло в употребление в русском языке в 80-е годы. Оно заменило неудобные в употреблении термины, использовавшиеся ранее (пешеходный трактор, малогабаритный пешеходный трактор, одноосный трактор). В этих машинах оператор, управляющий мотоблоком, шагает вслед за машиной по обрабатываемой почве, держа машину за ручки управления [6].
Мотоблок в общем случае состоит из двигателя, трансмиссии, ходовой части, системы агрегатирования и системы управления. Остановимся более подробно на этих элементах.
На мотоблоках применяются бензиновые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), на старых моделях - двухтактные, на новых - четырехтактные. Существуют также модели с электродвигателями и дизельными ДВС. Именно из-за отсутствия малоразмерных дизельных ДВС получили широкое распространение бензиновые двигатели. Лишь совсем недавно в России были разработаны одноцилиндровые дизельные двигатели . Примерами могут служить двигатели Т-15Д АО «Туламашзавод», СН-6Д Вятского машиностроительного завода
Нива Поволжья № 2 (23) май 2012 65
«Авитек», устанавливаемые на мотоблоки средних и тяжелых типов [14, 15]. Зарубежные производители используют дизельные двигатели уже при мощности 2,2...2,5 кВт. Применение машин с электроприводом в сравнении с приводом от двигателей внутреннего сгорания позволяет экономить жидкое топливо (бензин), не создавать повышенный шум при работе и не загрязнять выхлопными газами окружающую среду. Затраты на эксплуатацию электрифицированных машин в 6...8 раз меньше, чем у машин с двигателями внутреннего сгорания [10].
Подачу электроэнергии к мобильной технике наиболее просто осуществить с помощью гибкого шлангового кабеля. Питание мобильных машин от аккумуляторов пока не получило распространения из-за большой массы, высокой стоимости и недостаточной энергоемкости аккумуляторных батарей. Как правило, в малогабаритных машинах используют коллекторные однофазные электродвигатели номинальной мощностью до 4000 Вт и однофазные асинхронные двигатели до 600 Вт.
Энергонасыщенность мотоблоков составляет 20.50 кВт/т. Рекомендации ВИСХОМа регламентируют принять в качестве оптимального предела энергонасыщенность 36,8.47,8 кВт/т. Тяговое усилие, соответствующее указанной энергонасыщенности, должно быть не менее 1 кН на скорости 3.4 км/ч при работе в среднетяжелых почвенных условиях.
Трансмиссии мотоблоков отличаются большим разнообразием технических решений и, как правило, определяются видами передачи (зубчатые, зубчато-червячные, ременно-зубчато-цепные) [1, 2]. Зубчатые трансмиссии представляют собой классическую тракторную трансмиссию. Они содержат только зубчатые передачи (цилиндрические и конические) и применяются на тяжелых мотоблоках. Обычно имеют несколько ступеней и реверс. Муфта сцепления, как правило, имеет отдельный орган управления [18]. Зубчато-червячные трансмиссии применяются на легких мотоблоках и состоят из двух редукторов - верхнего зубчатого и нижнего червячного. Обычно имеют центробежную автоматическую муфту сцепления, а иногда еще и разобщительную муфту. В ременно-зубчато-цепных трансмиссиях двигатель вращает входной вал редуктора посредством ременной передачи, одновременно выполняющей роль сцепления [9]. Зубчатая и цепная передачи, как правило, выполнены в едином картере. Применение
66
цепной передачи позволяет увеличить агротехнический просвет. Иногда ременная передача выполняет роль вариатора и/или реверса. Зубчатый редуктор может быть одноступенчатым или двухступенчатым.
Система агрегатирования мотоблока предназначена для его сопряжения с орудиями. У мотокультиваторов орудия устанавливаются на ведущую ось, а у колёсных мотоблоков закрепляются на специальном кронштейне. Ряд мотоблоков имеют систему отбора мощности для привода активных рабочих органов навесного орудия.
Так как при работе с мотоблоком оператор шагает по земле, все органы управления должны приводиться в действие только руками оператора. Обычно мотоблок имеет рулевые штанги, с помощью которых оператор удерживает и направляет его. На рулевых штангах располагают часто используемые органы управления двигателем и трансмиссией. Редко используемые органы управления (воздушной заслонкой карбюратора, включением вала отбора мощности и др.) располагаются на соответствующих узлах и агрегатах.
МПМ работают в условиях непрерывно изменяющихся воздействий, обусловленных многочисленными и разнообразными факторами, к которым можно отнести режим нагружения, состояние обрабатываемого объекта, погодно-климатические условия и др. Кинематические и динамические параметры рабочих органов МПМ (поступательная скорость машины, окружная скорость на фрезбарабане, диаметр барабана, вращающий момент на приводном валу и др.) определяются в зависимости от конструкции машины, режимов работы и свойств почвы (плотность, влажность и др.). Из конструктивных признаков на перечисленные выше параметры наиболее сильное влияние оказывает тип рабочих органов (ножей) и способы расстановки их на приводном валу фрезы, а из свойств почвы - ее плотность. Заметное влияние на работу почвообрабатывающих фрез оказывает также наличие растительных остатков. Перечисленные факторы сказываются на стабильности работы самоходных фрез, приводя к ухудшению качества обработки почвы. В связи с этим рассмотрим показатели, характеризующие эту нестабильность.
Результаты многочисленных исследований [3, 16] показывают, что при работе МПМ в них возникают отрицательные реактивные моменты Му, Мх и М1 (рисунок), величина которых определяется зависимостью
Технические науки
М
рі
ві'
где Зе - момент инерции коленчатого вала с маховиком, кгм2;
- угловое ускорение коленчатого вала с маховиком относительной соответствующей оси, рад/с2.
Действие моментов Му, Мх и М, направлено в сторону, противоположную вращению коленчатого вала.
У
Схема сил, действующих на фрезерный агрегат
Кроме действия реактивных моментов возникают также колебания вращающего момента на приводном валу фрезбарабана Мпр.
Все это приводит к нестабильности протекания технологического процесса фрезерования почвы, характеризуемого такими видами неустойчивости, как «рыскание», «крен», «тангаж». Рыскание - потеря курсовой устойчивости, т. е. отклонение от прямолинейного движения. К рысканию приводит неравномерная загруженность фрезерного барабана. Крен - нарушение устойчивого положения в горизонтальной плоскости. К нему приводит высокий центр тяжести агрегата, крутильные колебания в приводе агрегата, а также возникающий при изменении режимов работы двигателя (запуск, перегрузка и т. д.) реактивный момент. Тангаж - нарушение устойчивости в вертикальной плоскости, т. е. продольное качание. Такой вид нарушения устойчивости характерен при выталкивании фрез барабана из почвы, изменении величины крутящего момента в приводе почвообрабатывающей фрезы.
Анализируя работу фрез различной ширины захвата, приходим к выводу о том, что фрезы с небольшой шириной захвата (навесные тепличные фрезы, электрофрезы, мотофрезы и др.) более склонны к нестабильности процесса фрезерования, т. к. они имеют меньшую массу и менее инертны. Небольшая ширина захвата фрезбара-бана и его центральный привод, который,
как правило, используется в кинематических схемах этих машин, накладывают ограничения на выбор оптимального расположения приводного двигателя и их компоновку.
Подтверждение этому находим в реализации компоновочных схем мотоблоков и мотоорудий, отечественных и зарубежных мини-тракторов. Главной отличительной особенностью этих компоновочных схем мотоблоков и мотоорудий является расположение двигателя. Из всего многообразия их конструкций можно выделить четыре основные компоновочные схемы (таблица).
Мотоблоки с передним продольным расположением двигателя имеют характерную классическую компоновку двигателя и трансмиссии. Коленчатый вал двигателя и входной вал трансмиссии расположены вдоль продольной оси мотоблока в плоскости, перпендикулярной оси ведущих колес. Двигатель и трансмиссия жестко соединены между собой и представляют единый агрегат. Как правило, они имеют довольно высокую мощность (до 12 л. с.), масса достигает 110.170 кг. Вал отбора мощности расположен в задней части коробки передач. Центр тяжести у мотоблоков этой компоновочной схемы находится сравнительно низко, что позволяет использовать их для работы на склонах. Примером этой компоновочной схемы являются отечественные мотоблоки «Беларусь» МТЗ- 05, «Кутаиси Супер-600», а также мотоблоки итальянской фирмы «Гольдони», западногерманской фирмы «Гутброд» и других западноевропейских фирм.
Мотоблоки с поперечным расположением двигателя имеют двигатель, который представляет собой отдельный агрегат, установленный на раму под углом 90° относительно продольной оси мотоблока. Коленчатый вал двигателя и входной вал трансмиссии расположены параллельно друг другу и оси ведущих колес. Кинематическая и силовая связи двигателя и ведущих органов осуществляются с помощью цепной, клиноременной или плоскоременной передачи. На мотоблоках и мотоорудиях, имеющих такую компоновку (МБ-1, МК-1, «Кубота Т-720», «Исеки КЕ100», «Пума 300», «Мотостандарт 6030» и др.), используют закрытые цепные передачи. На некоторых мотоблоках японских фирм («Кубота», «Янмар» и др.) успешно применяют двухступенчатую клиноременную передачу, а на мотоблоке «Исеки КБ 650Е» - плоскоременную. Валы отбора мощности на таких мотоблоках
Нива Поволжья № 2 (23) май 2012 67
№
п/п
Положение
двигателя
Схема компоновки
Пример
Впереди
Над рабочими органами
Вынесен назад
Установлен
вертикально
1
2
3
4
обычно имеют боковое расположение и выполнены в виде шкивов. Клиноременная передача ограничивает мощность двигателей, применяемых на мотоблоках, так как обеспечивает передачу мощности до 7,36 кВт. Крены, тангаж и рыскание мотоблоков с двигателем, расположенным над рабочими органами, при малой ширине захвата в совокупности с высоким центром тяжести явление довольно частое, хотя благодаря небольшой массе некоторых из них удержать их в нужном положении достаточно легко. В более тяжелых моделях от колебания в продольной плоскости частично можно избавиться путем установки опорного колеса перед рабочими органами, а от кренов - увеличенной шириной захвата.
Главной областью применения таких мотоблоков является обработка гряд в овощеводстве, использование их на рисовых чеках и равнинных участках.
Мотоблоки с верхним расположением двигателей имеют коленчатый вал, расположенный вертикально и перпендикулярно к оси ведущих колес. Так, основным узлом мотоблока, входящего в модульную систему «Терра», является легкосъемный энергетический модуль (двигатель), который
соединяется с тремя технологическими модулями (трансмиссиями): тяговым, коси-лочным и насосным, а также приспособлениями (орудиями). При такой компоновке многократно и универсально используется двигатель, набор сельскохозяйственных орудий и приспособлений обычно включает несколько конструкций узлов трансмиссий и ходовых частей. В этом случае сменным является уже не рабочее орудие, а сам двигатель, который переставляется с одного типа орудия на другой. При такой компоновочной схеме агрегаты склонны к рысканию и кренам вследствие влияния гироскопического момента.
Мотоблоки с задним расположением двигателя, у которых в отличие от первой компоновочной схемы двигатель вынесен относительно ходовых колес назад. Коленчатый вал двигателя и входной вал трансмиссии расположены вдоль продольной оси мотоблока в плоскости, перпендикулярной оси ведущих колес. Так выполнены отечественные мотоблоки М-3 и «Риони-2», мотоблоки зарубежных фирм «Грейве-ли» (США), «Рапид» (Швейцария), «Хако» (ФРГ) и др. Интересной является компоновочная схема мотоблоков фирмы «Хако вариетти» (Нако уапейе, ФРГ).
68 Технические науки
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
- малогабаритные почвообрабатывающие машины находят все более широкое применение в сельском и коммунальном хозяйствах, при работе в специфических условиях (ограниченность пространства, рельеф и пр.);
- существующие мотоблоки имеют различную компоновку без обоснования ее преимуществ и достоинств;
- анализ факторов, определяющих стабильность работы мотоблоков (крен, рысканье, тангаж), показал, что они существенно могут влиять на качество обработки почвы;
- наиболее существенным фактором, определяющим стабильность работы малогабаритных почвообрабатывающих машин, является их компоновка, особенно характер расположения двигателя и его конструктивные особенности;
- для исследования влияния характера расположения двигателя в компоновочной схеме необходимо проведение экспериментального исследования.
Литература
1. Алтайские малогабаритные тракторы / В. В. Бурдин, П. П. Гамалаев, В. Л. Жихарев [и др.] // Тракторы и сельхозмашины. -1994. - № 5. - С. 25-29.
2. Мини-тракторы / В. В. Бурков, Е. П. Зипунов, М. Е. Иовлев [и др.]. - Л.: Машиностроение, 1987. - 272 с.
3. Чаткин? М. Н. Анализ причин возникновения перегрузок в механизмах привода активных рабочих органов почвообрабатывающих машин / М. Н. Чаткин, Н. П. Панфилов, В. Ф. Купряшкин // Вестник диссертационного совета Д063.72.04. Вып. № 1. -Саранск: Изд-во МГУ им. Н. П. Огарева, 1996. - С. 16-19.
4. Данцигер, Г. И. Международная выставка «Малая сельхозмеханизация -91» / Г. И. Данцигер, Н. Н. Поляков // Тракторы и сельхозмашины. - 1991. - № 8. -С. 1-3.
5. ГОСТ 27155-86. Тракторы сельскохозяйственные и лесохозяйственные. Термины и определения видов. - М.: Издательство стандартов, 1986. - 3 с.
6. ГОСТ 28523-90. Мобильные средства малой механизации. Тракторы малогабаритные. Типы и основные параметры. - М.: Издательство стандартов, 1990.
- 2 с.
7. Международная выставка «Малая сельхозмеханизация - 92». Машинострои-
тели - фермерам // Тракторы и сельхозмашины. - 1993. - № 2. - С. 1-6.
8. Купряшкин, В. Ф. Область использования малогабаритных почвообрабатывающих фрез / В. Ф. Купряшкин, Н. И. Наум-кин, А. В. Митин, О. Ф. Корнаухов // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем: материалы Всерос. науч.-техн. конф. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2009. -С. 364-365.
9. Купряшкин, В. Ф. Динамический анализ работы малогабаритной почвообрабатывающей фрезы ФС-0,85 / В. Ф. Купряшкин, М. Н. Чаткин, Н. И. Наумкин // Наука и инновации в Республике Мордовия: материалы III респ. науч.-практ. конф. «Роль науки и инноваций в развитии хозяйственного комплекса региона». В 3-х ч. Ч. 1. Техн. науки. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2004. - С. 290-297.
10. Кухарев, О. Н. Физико-механические свойства картофеля / О. Н. Кухарев, С. Н. Федянин, В. С. Бочкарев // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. - Пенза: РИО ПГСХА, 2010. - С. 145146.
11. Эффективность применения комплекса машин для производства картофеля в мелкотоварных хозяйствах / Н. П. Ларюшин, О. Н. Кухарев, В. С. Бочкарев и др. // Нива Поволжья. - 2011. -№ 4. - С. 97-101.
12. Результаты исследования малогабаритной картофелесажалки / О. Н. Куха-рев, Н. П. Ларюшин, Г. Е. Гришин, С. Н. Фе-дянин // Нива Поволжья. - 2012. - № 1(22).
- С. 78-83.
13. Логутенок, Э. П. Сфера применения и особенности конструкции зарубежных малогабаритных тракторов / Э. П. Логутенок, В. Г. Рославлев, В. Б. Коскин [и др.] // Тракторы и сельхозмашины. - 1981. -№ 1. - С. 30-32.
14. Машины и оборудование для АПК, выпускаемые в регионах России: каталог. Том 1. - М.: Информагротех, 1997. -316 с.
15. Новая техника для агропромышленного комплекса: каталог. - М.: Информагротех, 1994. - 316 с.
16. Митин, А. В. Показатели нестабильности работы малогабаритных почвообрабатывающих фрез и анализ причин их вызывающих / А. В Митин, В. Ф. Купряшкин, Н. И. Наумкин [и др.] // Машиностроение: наука, техника, образование: сб. науч. тр. VIII Всерос. науч.-практ. конф., г. Рузаевка,
Нива Поволжья № 2 (23) май 2012 69
24 - 25 февр. / Редкол.: А. П. Фомин, С. П. Сульдин (отв. ред.), С. Е. Москайкина (отв. секретарь). - Рузаевка, 2010. -С. 101-103.
17. Иностранная техника. Китайские малогабаритные тракторы // Тракторы и сельхозмашины. - 1991. - № 10. - С. 51-53.
18. Малая механизация в приусадебных и фермерских хозяйствах / О. Г. Зали-гин, С. О. Гусаков, В. П. Заборский [и др.]. -Киев: Урожай, 1996. - 368 с.
19. Золотаревский, А. А. Малогабаритные тракторы и мотоблоки / А. А. Золота-ревский, В. Г. Рославлев, Г. В. Силаев. -Минск: Высшая школа, 1986. - 143 с.
70 Технические науки
