CC BY
2
УДК 62.182.35 DOI 10.24412/2311-6447-2023-3-188-193
Пути снижения энергозатрат трактора для работы в узких пространствах
Ways to reduce tractor energy consumption For working in narrow spaces
Доцент О. В. Ворожцов
Псковский государственный университет, кафедра автомобильного транспорта, тел. +7(8112) 79-77-04, voroz1968@mail.ru
Associate Professor O.V. Vorozhtsov Pskov State University, chair of Motor Transport, tel. +7(8112) 79-77-04, voroz1968@mail.ru
Аннотация. Обозначена проблема недостаточного внимания к развитию отечественного тракторостроения в области специализированной техники для работы в узких пространствах плодовых садов. Сформулированы требования к конструктивным параметрам и технологическим возможностям тракторов для работы в узких пространствах. Обосновано применение в конструкции тракторов шар-нирно-сочлененной рамы. Усилие, необходимое для поворота шарнирно сочлененной рамы, будет определяться расположением центра поворота платформ рамы. Значительное снижение усилия для поворота возможно за счет переноса центра поворота шарнирно-сочлененной рамы к оси колес передней платформы, или расположения непосредственно на оси передних колес. Проведен сравнительный анализ шестеренных и поршневых гидромашин с целью определения возможности построения гидрообъемной трансмиссии трактора на основе шестеренных гидромашин. Представлена гидравлическая схема гидрообъемной трансмиссии на основе шестеренных гидромашин с объемным регулированием. Возможность объемного регулирования при постоянной потребляемой мощности обеспечивается за счет перераспределения потока рабочей жидкости между двумя гидромоторами с разным рабочим объемом, где крутящий момент на валах гидромоторов суммируется с помощью зубчатого дифференциала. В случае применения трансмиссии обеспечивается снижение энергозатрат в ходе производственной эксплуатации трактора.
Abtract. The article outlines the problem of insufficient attention to the development of domestic tractor construction in the field of specialized equipment for working in narrow spaces of orchards. The requirements for the design parameters and technological capabilities of tractors for working in narrow spaces are formulated. The use of an articulated frame in the design of tractors is substantiated. The force required to rotate the articulated frame will be determined by the location of the center of rotation of the frame platforms. A significant reduction in turning effort is possible by moving the center of rotation of the articulated frame to the axis of the wheels of the front platform, or by placing it directly on the axis of the front wheels. A comparative analysis of gear and piston hydraulic machines was carried out in order to determine the possibility of constructing a hydrostatic transmission of a tractor based on gear hydraulic machines. The hydraulic scheme of hydrostatic transmission based on gear hydraulic machines with volume control is presented. The possibility of volume control at a constant power consumption is provided by redistributing the flow of the working fluid between two hydraulic motors with different displacement, where the torque on the shafts of the hydraulic motors is summed up using a gear differential. In the case of using a transmission, a reduction in energy consumption during the production operation of the tractor is ensured.
Ключевые слова: специализированный трактор, работа в узких пространствах, шарнирно сочлененная рама, гидрообъемная трансмиссия, шестерённые гидромашины
Keywords: specialized tractor, work in narrow spaces, articulated frame, hydrostatic transmission, gear hydraulic machines
Развитие садоводства в России идет по инновационному пути, который предусматривает целый комплекс мероприятий и технических решений, направленных на повышение эффективности производства продукции. Интенсивное садоводство быстрыми темпами развивается в Ставропольском крае, в Центральном Черноземье и республиках Северного Кавказа. Главная особенность интенсивного сада -
© О.В. Ворожцов, 2023
невысокие фруктовые деревья, посаженные плотными рядами. Расстояние между рядами такого сада составляет 2,5-3 метра, что является проблемой при использовании тракторов общего назначения. Низкая динамика перехода на надежную малогабаритную специальную технику, вызванная ее недостаточным развитием, является одной из проблем в сфере интенсивного садоводства [1].
Спектр работ, необходимых к выполнению различными техническими средствами в садах интенсивного типа, достаточно широк на всех стадиях производственного этапа: в период закладки сада, при уходе за насаждениями и уборке урожая. Специализированная техника необходима для обеспечения таких технологических процессов, как обработка междурядий и приствольных зон, внесение удобрений и химическая защита, обрезка и формирование кроны, сбор и вывоз урожая. Основными техническими требованиями, предъявляемыми к тракторам для применения в садоводстве, являются нестандартные размеры (короткая база, минимальная ширина, колея и высота, компактная кабина) и многофункциональность [2].
Подобная специализированная техника в основном представлена машинами европейского производства (Германия, Италия, рис. 1, а, б). Единственным представителем постсоветского пространства в данном сегменте является садовый трактор «Беларус 921.3» производства ООО «Минский тракторный завод» (рис. 1, в) [3].
а) б) в)
Рис. 1. Специализированные тракторы для работы в узких пространствах: а - трактор «Antonio Carraro TGG 9900» (Италия, ширина 1380 мм); б - трактор «Case IH Quantum» серии F (Германия, ширина 1398 мм); в - трактор «Беларус 921.3» (Белоруссия, ширина 1570 мм)
В области разработки специализированной тракторной техники ведется работа российскими научными организациями, в том числе Всероссийским институтом механизации Россельхозакадемии, Федеральным научным агроинженерным центром ВИМ, и др. (рис. 2).
а) б)
Рис. 2. Малогабаритные тракторы (разработка ФГБНУ ФНАЦ ВИМ): а - многофункциональный трактор ВИМ 6507 (ширина 1700 мм); б - многофункциональный трактор ВИМ 5070 (ширина 1660 мм)
Особенности выполнения работ в узких садовых пространствах позволяют сформировать следующие требования к конструктивным параметрам и технологическим возможностям специализированной тракторной техники:
- минимальные габариты, что является общеизвестным положением подобной
техники для работы в узких пространствах;
- минимальный радиус разворота, определяемый расстоянием между рядами плодовых деревьев (как правило, не более 3 метров);
- универсальность для выполнения широкого спектра работ с использованием различного навесного и прицепного оборудования;
- надежность при эксплуатации, невысокая стоимость, простота обслуживания и ремонта.
Наиболее целесообразным конструктивным решением для тракторов, работающих в узких пространствах, является шарнирно-сочлененная конструкция рамы. Преимуществом такой конструкции является улучшение маневренности в узком коридоре, малый радиус при повороте, снижение нагрузок на конструкцию рамы, постоянный контакт колес с грунтом. Классической схемой конструкции шарнирно сочлененной рамы является схема, представленная на рис. 3, а.
Рис. 3. Схема шарнирно-сочлененной рамы транспортного средства: а - классическая схема; б - схема со смещенным центром поворота
Момент поворота, необходимый для изменения направления движения, по величине должен соответствовать моменту сопротивления повороту платформы шарнирно-сочлененной рамы:
\Ма > Мс;
+ > а
где Мп и Мс - момент поворота и момент сопротивления повороту соответственно;
- сумма сил сопротивления повороту, возникающая за счет боковой реакции почвы в пятне контакта шины и поверхности; Р\ и р2 - сила поворота на штоке гидроцилиндра; а ,Ъ\ и Ьг - расстояния действия сил сопротивления повороту и сил поворота соответственно.
Из выражения видно, что величина сил поворота определяется геометрическими параметрами плеча действия силы а и Ь . Значительное снижение сил на штоках поворотных гидроцилиндров для преодоления момента сопротивления повороту возможно при уменьшении параметра а и увеличении параметра Ь (рис. 3, б).
При расположении центра поворота на оси колес передней тележки момент сопротивления повороту будет определяться деформацией грунта в пятне контакта шины с опорной поверхностью. При таком расположении цента поворота в зависимости от вида и состояния грунта, а также от величины заглубления движителя в грунт опорной поверхности значение давления рабочей жидкости, необходимое для создания усилия поворота в поворотных гидроцилиндрах, для колесно-гусеничной машины будет в 7-13 раз меньше, чем для классической схемы поворота [4]. Исследования для поворота колёсного движителя шарнирно-сочлененной рамы со смещённым центром поворота не проводились.
Для выполнения широкого спектра работ садового трактора целесообразна гидрофикация работ. Создание универсальной шарнирно-сочлененной платформы с точками подключения гидрофицированного навесного оборудования
по периметру платформы позволит выполнять практически весь спектр садовых работ. Применение гидробъемной трансмиссии (ГОТ) позволит обеспечить бесступенчатое регулирование трактора, удобство управления и расположения элементов трансмиссии, снижение разрушающего воздействия на почву. Применение в составе ГОТ шестеренных гидромашин обеспечит снижение себестоимости трансмиссии и ее эксплуатации.
Как правило, в составе ГОТ применяют поршневые гидромашины, отличительными чертами которых являются значительная стоимость и высокие требования к качеству и чистоте рабочей жидкости. Классической схемой ГОТ на основе поршневых гидромашин является замкнутая схема циркуляции рабочей жидкости, в состав которой входят вспомогательные системы по очистке и охлаждению рабочей жидкости, система подпитки, а также система регулирования подачи, что значительно усложняет эксплуатацию ГОТ. Регулирование подачи шестеренных гидромашин основано на дроссельном способе регулирования, что значительно снижает КПД гидропривода и делает неэффективным применение ГОТ на основе шестеренных гидромашин. Объемное регулирование применительно к шестеренным гидромашинам невозможно вследствие постоянства рабочего объема.
Шестеренные гидромашины по своим параметра ненамного уступают поршневым гидромашинам, а по ряду параметров превосходят их. Сравнительная оценка поршневых и шестеренных гидромашин по основным параметрам по пятибалльной шкале приведена в табл. 1 [5].
Таблица 1
Сравнительная оценка технического уровня поршневых и шестеренных насосов
Технический параметр Тип насоса
поршневой шестеренный
Давление, МПа 5,0 4,0
Максимально допустимая угловая скорость привода насоса в зависимости от рабочего объёма, с-1 3,0 4,5
Коэффициент подачи в зависимости от давления, % 5,0 4,8
Коэффициент подачи в зависимости от частоты вращения, % 5,0 4,7
Общий КПД насоса в зависимости от давления, % 5,0 4,8
Всасывающая способность, Па 4,0 4,0
Удельная мощность, кВт/кг 3,0 5,0
Шум, генерируемый насосом 2,0 3,0
Себестоимость производства 4,0 5,0
Общая сумма баллов 36,0 39,8
Средний балл 4,0 4,42
Шестеренные насосы менее требовательны к таким параметрам, как вязкость масла и тонкость фильтрации (табл. 2).
Таблица 2
Сравнительная оценка обобщённых значений некоторых параметров
Тип Технический параметр
насоса Рекомендуемая Макс. вязкость Тонкость
вязкость, мм2 /с (холодный пуск), мм2 / с фильтрации, мкм
Шестеренный 25-100 1600-2000 15-40
Поршневой 20-35 1000 10-25
Объемный КЦД современных шестеренных гидромашин достигает 95 %, общий КЦД - 90 % (для сравнения - объемный КЦД аксиально-поршневых гидромашин достигает 96 %, общий КЦД - 93 %). На сегодняшний день давление нагнетания шестеренных насосов достигает 28 МПа [6].
Возможность применения шестеренных гидромашин в составе ГОТ основана
на использовании двух гидромоторов с разным рабочим объемом, валы которых подсоединены к зубчатому дифференциалу для суммирования крутящего момента (рис. 4) [7]. К дифференциалу подсоединены героторный гидромотор, обладающий высоким стартовым моментом и большим рабочим объемом, и шестеренный гидромотор с внешним зубчатым зацеплением с меньшим рабочим объемом.
Особенностью предложенной схемы ГОТ является перераспределение потока рабочей жидкости от насоса к гидромоторам пропорционально положению золотника распределителя Р1. Предложенная схема обеспечивает объемное регулирование применительно к шестеренным гидромашинам в составе ГОТ. Способ регулирования гидропривода на основе шестеренных гидромашин с зубчатым дифференциалом запатентован [8].
героторные гидромоторы; М3, М4 - шестеренные гидромоторы с внешним зацеплением; Р1 - пропорциональный распределитель; Р2, Р3 - направляющие распределители; А - устройство плавного пуска; АТ - охладитель; Ф1, Ф2 - фильтры; КО1 и КО2 - обратные клапаны; 1, 2 - зубчатый дифференциал
Мощность, затрачиваемая на перемещение трактора с шарнирно-сочлененной рамой для работы в узких пространствах, составит до 35-40 л. с. Суммарная мощность двигателя трактора будет расходоваться на его перемещение и работу навесного оборудования, источником энергии которого является установленный последовательно с насосом ГОТ шестеренный насос. Энрегоэффективность трактора будет обеспечена снижением энергозатрат при повороте за счет переноса центра поворота шарнирно-сочлененной рамы к оси передней платформы и применении ГОТ на основе шестеренных гидромашин. Использование ГОТ дает возможность применить в составе гидропривода гидравлический аккумулятор для создания запаса (рекуперации) гидравлической энергии, а также мультипликатора (усилителя давления) для создания кратковременного повышения давления при выполнении определенных операций навесного оборудования.
В ходе исследований пришли к таким выводам:
1. Применение шарнирно-сочлененной рамы обеспечит высокую маневренность трактора, снижение нагрузки на конструкцию рамы. Расположение центра поворота максимально близко к оси колес передней платформы или непосредственно на оси в несколько раз снизит усилие, необходимое для поворота трактора.
2. Сравнительный анализ показал, что шестеренные гидромашины ненамного уступают поршневым гидромашинам, а по ряду параметров превосходят и могут быть применены в составе гидрообъемной трансмиссии.
3. Предложенная гидрообъёмная трансмиссия на основе шестеренных
гидромашин обеспечивает объемное регулирование, невысокую стоимость и простоту производственной эксплуатации, что позволяет утверждать о целесообразности применения трансмиссии в конструкции трактора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Плоды и овощи: вопросы и технологии. IV сельскохозяйственный форум «Плоды и овощи России - 2022», Сочи // Сельскохозяйственные вести. - 2022. — №4 (131). - С. 52-53.
2. Татаринова М.Н. Современное состояние и проблемы развития интенсивного садоводства в России // Экономика: теория и практика - 2020. - №2 (58). - С. 31 -39.
3. Зверев И. Хозяева садов // Агробизнес. - 2021. - № 5 (71). - С. 72-76.
4. Волосунов М.В. Обоснование способа и механизма поворота колесно-гусеничной лесотранспортной машины [Текст]: Дис... канд. техн. наук: 05.21.01 / М.В. Волосунов - УГТУ, 2014. - 160 с.
5. Ю.В. Кулешков, М.В. Красота. К. Ю. Кулешкова. Перспективы повышения технического уровня шестеренных насосов // Конструирование, производство и эксплуатация сельскохозяйственных машин: Общегосударственный межведомственный научно-технический сборник. Кировоград: КДТУ. - 2012. - №42. - С. 161168.
6. [Электронный ресурс]. Адрес доступа: https://www.parker.com/Literature/ PMDE/ Catalogs/ Gear_Units/
7. Ворожцов О.В., Селезнев Е.А. Гидрообъемная трансмиссия на основе шестеренных гидромашин // Транспорт Российской Федерации. - 2022. - №3 (100). - С. 34-36.
8. Ворожцов О.В., Селезнев Е.А. Регулируемый гидропривод на основе шестеренных гидромашин с постоянным рабочим объемом. Патент РФ № 215589, 19.12.2022. Бюл. № 35.
REFERENCES
1. Fruits and vegetables: issues and technologies. IV Agricultural Forum "Fruits and Vegetables of Russia - 2022", Sochi // Agricultural News. - 2022. -- No. 4 (131). -S. 52-53.
2. Tatarinova M.N. Current state and problems of development of intensive horticulture in Russia // Economics: theory and practice - 2020. - No. 2 (58). - S. 31-39.
3. Zverev I. Owners of gardens // Agrobusiness. - 2021. - No. 5 (71). - S. 72-76.
4. Volosunov M.V. Substantiation of the method and mechanism for turning a wheeled-caterpillar forest transport vehicle [Text]: Dis... cand. tech. Sciences: 05.21.01 / M.V. Volosunov - USTU, 2014. - 160 p.
5. Yu.V. Kuleshkov, M.V. Beauty. K. Yu. Kuleshkova. Prospects for raising the technical level of gear pumps // Design, production and operation of agricultural machines: General state interdepartmental scientific and technical collection. Kirovograd: KDTU. - 2012. - No. 42. - S. 161-168.
6. [Electronic resource]. Access address: https://www.parker.com/Literature/ PMDE/ Catalogs/ Gear_Units/
7. Vorozhtsov O.V., Seleznev E.A. Hydrostatic transmission based on gear hydraulic machines // Transport of the Russian Federation. - 2022. - No. 3 (100). - S. 34-36.
8. Vorozhtsov O.V., Seleznev E.A. Adjustable hydraulic drive based on gear hydraulic machines with a constant working volume. RF patent No. 215589, 12/19/2022. Bull. No. 35.
