НЕ ТИСНІТЬ, МУЖИКИ! НЕ ТИСНІТЬ!... (Огляд: як вирощувати рослини і не втоптувати грунт?) (Частина 1)
Тиснути на грунт шкідливо Останнім часом у спеціальній літературі з'явився термін «машинна деградація ґрунтів». Він позначає комплекс шкідливих наслідків, що викликаються колесами, гусеницями і робочими органами ґрунтообробних машин. Один з найбільш грізних чинників деградації ґрунтів – переущільнення. Для того щоб рослини розвивалися нормально, потрібно певне співвідношення між основними частинами ґрунту: твердими частинками, водою і повітрям. Оптимальною буде така грунт, у якій тверді частки становлять 50%, вода – 30% і повітря – 20% (див. рис. 1А). Якщо грунт переуплотнена (див. рис. 1Б), врожайність різко знижується. Це пояснюється тим, що переуплотненная грунт погано вбирає вологу. А) Б)
Рис. 1. Перерізу верхніх шарів грунту: А) неущільненому, Б) переущільненої Білий колір – простір для повітря або води. Чорний колір – грунт. Перерізу верхніх шарів неущільненому і переущільненої грунту наочно показують, на скільки скорочується простір для повітря і води під дією коліс і гусениць сільськогосподарських машин. Збільшення обсягу цього простору оздоровливает грунт [1]. «Дослідження американських фахівців показали, що ущільнення ґрунтів в основних зерносіючих районах США знижує урожай хлібів на 8-13%. У багатьох країнах, у тому числі і СРСР, були поставлені спеціальні досліди. Вони показали, що ущільнення пилувато-иловатого суглинку трактором, колеса якого тиснуть на землю з силою 2 кг/см2... знижує врожайність картоплі більш ніж на 50%. Є дані, що урожай помітно знижується навіть у тому випадку, коли питома вага землі збільшується всього на 0,01 г/см3» [2]. «Сьогодні потрібна техніка, заснована на нових наукових засадах. Традиційна техніка – це 300 кг металу на 1 га ріллі. Вона веде до переуплотнению і деградації ґрунту. Потрібні: реактивні плуги, почволюбивые ходові системи, вібраційні розпушувачі, роторні комбайни, пневмогусеничные трактори, плоскорізи замість плугів. У Канаді плуги не застосовуються з 1963 року. У Голландії застосовують мостове землеробство» [3]. Щоб зберегти та відновити родючість грунту, необхідно навчитися вирощувати продукти харчування без її руйнування та ущільнення. У статті подано короткий огляд відомих способів рішення цієї задачі та показано тенденції розвитку машин і технологій, що дозволяють передбачити нові способи її вирішення. Як обробляти ґрунт без її ущільнення? Грунт руйнують і ущільнюють колеса і гусениці сільськогосподарських машин: тракторів, комбайнів, вантажівок, сівалок, косарок і т. п. Всю цю техніку можна представити як систему для обробки грунту і рослин, що складається з двох частин: знаряддя обробки (знаряддя) і машини, які переміщують ці знаряддя («трактор») (див. рис. 2). Рис. 2. Система обробітку ґрунту та рослин Головна корисна функція «тягача» – переміщати знаряддя по полю. Небажаний ефект, який з'являється при цьому – руйнування та ущільнення ґрунту. Головна корисна функція знаряддя – обробляти ґрунт, рослина. Небажаний ефект, який з'являється при цьому – руйнування та ущільнення ґрунту. Головна функція системи «тягач» + знаряддя – обробляти ґрунт і рослини у відповідності з заданою технологією вирощування сільськогосподарської культури. Відповідно до законів розвитку технічних систем, описаними в теорії розв'язання винахідницьких завдань (ТРВЗ), основними тенденціями розвитку є: постійне зростання параметрів головною корисною функції системи і зменшення факторів розплати. Факторами розплати є різного роду витрати, пов'язані з виконанням функцій системи і небажані ефекти, які при цьому проявляються [4, 5]. Розглянемо ці тенденції для системи обробітку ґрунту і рослин «тягач» + знаряддя. Наприклад, для посівного агрегату зростання параметрів його головною корисною функції виражається в постійному зростанні кількості секцій у сівалки і збільшенні ширини захвату– 4, 6, 8, 12, 18 метрів. Постійне зниження факторів розплати, пов'язаних з виконанням функцій, що проявляється, наприклад, у прагненні знизити шкідливий ущільнене дія «тягача» і коліс знарядь на грунт. Прагнення розробників сільськогосподарської техніки слідувати цим тенденціям призводить до суперечливих вимог. Так, наприклад, щоб «тягач» міг тягнути широкозахватную сівалку, він повинен бути міцним і мати гарне зчеплення з грунтом. Але потужний «тягач» більше важить, а значить сильніше руйнує структуру грунту і сильно ущільнює її. Щоб цього уникнути, він повинен бути легким. Конструктор стикається з необхідністю подолати суперечність – «тягач» повинен бути важким і легким. Як подолати цю суперечність? Які способи пропонувалися і можуть бути запропоновані? СПОСІБ 1: МЕНШЕ ТИСНУТИ НА ГРУНТ Які існують шляхи зменшення тиску на грунт? Найбільш очевидними способами є: зменшення ваги машини;
збільшення площі контакту колеса з грунтом.
У першому випадку ми одразу стикаємося з тим же протиріччям: якщо зменшити вагу трактора, то тиск на грунт зменшиться, але також погіршаться його тягово-зчіпні властивості. Тому, щоб зберегти тягово-зчіпні властивості на рівні, необхідному для виконання агротехнічних операцій, доводиться використовувати великі грунтозацепи і збільшувати площу контакту коліс з грунтом. Це досягається за рахунок спаровування і страивания передніх і задніх коліс, встановлення коліс з широкопрофільними і арочними шинами, зниження тиску повітря в шинах (див. рис. 3, 4, 5). Рис. 3. Трактор зі спареними колесами [6] Рис. 4. Трактор з строєними колесами [7] Рис. 5. Трактор з арочними шинами [8] Застосування спарених шин знижує питомий тиск на ґрунт, що в 1,5–2 рази зменшує ступінь ущільнення по сліду трактора, підвищує прохідність агрегатів при підвищеній вологості і збільшує тягове зусилля. Це особливо важливо в ранні терміни проведення весняно-польових робіт при високому вмісті ґрунтової вологи [9]. Ці та інші способи зниження тиску на грунт докладно розглянуті в статті «Площа опори: доброго колеса повинно бути багато» на с. 80 (див.http://www.triz-profi.com/magazin2.html). Тут будуть згадані лише деякі з них для того, щоб простежити тенденції розвитку рушіїв сільськогосподарських машин. Шини наднизького тиску Зменшити тиск колеса на грунт можна, збільшивши пляма контакту і рівномірно розподіливши тиск. Цього можна досягти, знизивши тиск повітря в колесі. Всюдихід ТТС–70 на шинах наднизької тиску з обприскувачем Технічні характеристики[10]: Продуктивність, га/годину 50
Розмах крил, м 20
Заправна ємність, л 600
Тиск на грунт, кПа 8-13
Діапазон швидкостей, км/год 10-50
Всюдихід ТТС–70 У воронезькому ЗАТ «Топаз плюс» виготовили легкий і прохідний всюдихід ТТС-70 на шинах наднизької тиску. Його шини – оболонки низького тиску 70-150 г/см2 діаметром 1,2 метра, так що питоме навантаження всюдихода на грунт в кілька разів менше, ніж у самого екологічного трактора. Всюдихід працює за посівами в низькій фазі без пошкодження рослин і грунту. Його рекомендують застосовувати для поливу і підгодівлі рослин, розсипання отрутохімікатів. Він здатний працювати і сенокосилкой, на нього можна встановити культиватор-розпушувач, жнейку. По витраті пального ТТ-70 разів у двадцять економічніше існуючих тракторів. Установка системи глобального позиціонування (GPS) забезпечує нічну обробку полів без використання сигнальників [11].
Всім хороший всюдихід ТТС-70, але гладкі колеса не можуть створити великого тягового зусилля. Від колеса на гусениці Знизити тиск трактора на ґрунт і збільшити його тягові характеристики можна, якщо замість коліс використовувати металеві гусениці. Кращим вітчизняним колісним трактором визнаний К-701. На транспортно-технологічних операціях він незамінний. А при обробці грунту, посіві та обробці рослин важка машина сильно ущільнює грунт, при надлишку вологи колесо пробуксовує до глибокої колії, руйнуючи ґрунтовий покрив. Для усунення цього недоліку фахівці Всеросійського науково-дослідного проектно-технологічного інституту механізації і електрифікації сільського господарства запропонували оперативно міняти колесо на гусеницю. Операція заміни займає не більше 5 годин. Ніяких особливих пристосувань і навичок не потрібно. Гусениця може бути металевою або гумово-тросової. Новинка випробувана в 2002 році на полях колгоспу їм. Ворошилова в Ставропольському краї. З переходом на гусеницю площа плями контакту з грунтом збільшилася в 4 рази, а питомий тиск знизився вдвічі. Зменшилась у 2 рази і глибина колії на паровому полі [12]. Але металічна гусениця теж не вирішує всіх проблем, у неї є свої недоліки: руйнує покриття доріг при переїзді з одного поля на інше;
передає вібрації від двигунів і механізмів ґрунті, від чого вона сильно ущільнюється;
нерівномірно розподіляє тиск по плямі контакту з грунтом – це викликано тим, що вертикальне навантаження від кожного ковзанки передається на грунт практично через один трак і в результаті статичні тиску в зоні контакту гусениці зростають у кілька разів (див. рис. 6 ) [13, с. 99-100].
Рис. 6. Розподіл тиску в металевій гусениці транспортера Щоб захистити покриття доріг від руйнування та знизити вплив вібрації на грунт, було запропоновано зробити гусеницю гумовою. Вона більш рівномірно розподіляє тиск по опорній поверхні, що зменшує деформацію, ущільнення та руйнування ґрунту. Сучасні трактори оснащуються литими резинотросовыми гусеницями з автоматичним натягом. Вони забезпечують високу тягу при роботі на грязі і пухкому грунті, а щільний контакт з поверхнею забезпечує стійкість трактора (див. рис. 7). Рис. 7. Трактор з резинотросовой гусеницею [14] Пневматична гусениця Щоб ще зменшити тиск на грунт і зробити його більш рівномірним, було запропоновано об'єднати гарне поглинання вібрації пневматичним колесом з великою площею контакту у гусениці. Вийшла гумова пневматична гусениця. Гумова пневматична гусениця складається з окремих пневмоелементов. Кожен пневматичний елемент являє собою гумово–кордну оболонку, наповнену повітрям і складається з силового пояса, армованого металокордом, і пневматичної балона з розвиненою опорною поверхнею з грунтозацепами. Підкачка повітря в елементі в процесі експлуатації і контроль тиску повітря здійснюються через стандартний вентиль, встановлюється на кожний елемент. Величина внутрішнього тиску повітря по допустимим величинам вертикальних прогинів знаходиться для різних машин в діапазоні 1,5–2,2 кгс/см2. Резино–пневматична гусенична стрічка була випробувана в декількох варіантах на гусеничних снегоболотоходах і сільськогосподарських тракторах. Дослідження показали, що пневматична гусениця порівняно з металевої володіє рядом істотних переваг [15]: Значно більш рівномірна епюра тиску рушія на полотно шляху.
Менше пошкодження і ущільнення грунту.
Тягове зусилля машини на пневмогусеницах збільшується в 1,4–1,8 рази.
Опір руху машини на пневмогусеницах при русі по слабких грунтах зменшується в 1,2–1,5 рази.
Застосування пневмогусеницы дозволяє машині пересуватися по дорогах з удосконаленим покриттям без його пошкодження.
Трактор Т-54С-ПГ Трактор Т–150ПГ У період з 1976 по 1978 роки у галузевій науково-дослідній лабораторії всюдихідних машин були розроблені і досліджені пневмогусеничные рушії для тракторів Т-54С і Т-150ПГ [16]. Порівняльні випробування показали, що: максимальні напруження в ґрунті під катками трактора Т-54С-ПГ на 30-40% менше, ніж у трактора Т-70С (аналог) на всіх режимах руху;
загальна ущільнення ґрунту по слідах Т-54С-ПГ і Т-150-ПГ менше, ніж по слідах Т-70С та Т-150 відповідно на 23,9 та 28,3%.
Застосування пневматичних гусениць на транспортних засобах призводить до значного зниження ущільнюючого і руйнуючого впливу рушія на ґрунт [13, с. 103]. Це підтвердив у 1980 році відділ ходових систем Всесоюзного інституту механізації результатами випробувань в Армавирской дослідної станції [15].
Проведені випробування показали, що епюри тисків вздовж опорної поверхні пневматичної гусениці так само, як і в рушій з металевої гусеницею, є нерівномірними, але величина тиску і нерівномірність набагато нижче (див. рис. 8). Рис. 8. Розподіл тисків: а – в пневматичної гусениці; б – у металевій гусениці транспортера Аналогічні результати були отримані на порівняльних випробуваннях трактора ДТ-75Б з металевої гусеницею і трактора «Руслан» з пневматичної гусеницею (див. рис. 9). Гусеничний трактор ДТ-75Б Пневмогусеничный трактор «Руслан»
Рис. 9. Епюри нормальних контактних тисків (а) і опади торф'яної поклади (б) під гусеницями трактора ДТ-75Б і пневматичними гусеницями трактора «Руслан» [13, с. 102] Проведені дослідження показали, що пневматичний рушій найбільш повно відповідає вимогам, що пред'являються до рушіїв сільськогосподарських машин з точки зору зниження ущільнюючого впливу на грунт при збільшенні тягово-зчіпних характеристик і зниження металоємності рушія і машини в цілому [13, с. 104]. Однак і в пневматичної гусениці є недоліки: порівняно з металевої гусеницею:
можливість проколів;
низькі тягововые якості на слизьких покриттях;
чутливість до низьких температур повітря;
низька ремонтопридатність;
у порівнянні з автомобільним колесом: більш складна конструкція рушія;
високі втрати потужності при переміщенні по твердих дорогах;
відносно низький термін служби ходової частини.
Сьогодні пневматичні гусениці знайшли застосування на тихохідних машинах, призначених для роботи на багнистих грунтах – снігоболотохід, всюдиходи, екскаватори [17]. Установка пневматичної гусениці на екскаватор ЕО-4121 дозволила зменшити середнє питомий тиск на грунт з 65 кПа (0,65 кг/см2) на серійній металевої гусениці до 26 кПа (0,26 кг/см2) [18].
Трактор на повітряній подушці «Винахідники... прагнуть осягнути неосяжне: до неможливою мірі збільшити площу контакту опорних поверхонь трактора з землею і знизити тим самим тиск на неї. «В ідеалі» це завдання можна вирішити двома шляхами: або створити щось дуже близьке до справжньої живої гусениці;
або зовсім відмовитися від опори.
Безопорний трактор на повітряній подушці ще не отримав офіційного, усіма визнаного назви. У Польщі, наприклад, його охрестили «воздушковец», у Франції – «агроплан». Застосовують подібні машини і в США, і у нас, і в ряді інших країн. Поки тільки в експериментальних цілях. Але результати вже цілком солідні. Польський воздушковец, наприклад, на операціях хімічного захисту рослин рухається над полем з недосяжною для звичайних тракторів швидкістю 50 км/год. Французький агроплан по звичайним дорогам їде на звичайних колесах; повітряна подушка включається тільки по необхідності – над болотом, наприклад. В останньому випадку агроплан вагою три тонни (разом з вантажем) розвиває швидкість до 20 км/год. Що стосується копіювання способу руху «справжньої» гусениці, то тут поки що немає чим хвалитися. Конструкції, що народжуються на креслярських столах і в експериментальних цехах заводів, занадто складні, щоб конкурувати з традиційним тракторним рушієм» [2]. Всюдихід на повітряній подушці В омському ТОВ «АРКТИКА-М» був розроблений всюдихід на повітряній подушці, призначений для перевезення пасажирів та вантажів у тих місцях, де неможливо застосування іншого виду транспорту, крім вертольотів. На відміну від вертольота, він в десятки разів дешевше, перевершує вертоліт за запасом ходу, вантажопідйомності, машині не потрібні аеродроми, практично повна незалежність від стану погоди, часу доби і року. Всюдихід призначений для контролю магістральних трубопроводів, віддалених бурових установок, перекачувальних та дотискуючих станцій, ліній електропередачі. Може використовуватися геологами, працівниками сільського господарства. Всюдихід відповідає всім екологічним нормам і не порушує важко відновлюваний покрив тундри, чинячи тиск повітряним потоком не більше 12 гр/см2 [19].
Лінії розвитку Показані тут способи зменшення тиску на грунт дозволяють простежити кілька ліній розвитку рушіїв сільськогосподарських машин, що збігаються з лініями розвитку технічних систем, описаних в ТРИЗ [4, 5, 20]: Лінія №1. «Моно-бі-полисистема» (див. рис. 10): одне колесо на кінці осі чинить великий тиск на грунт;
два колеса на кінці осі – менший тиск на грунт, але спостерігається сильне здавлювання грунту між колесами;
три колеса на кінці осі – ще менше тиск на грунт, але зберігається здавлювання грунту між колесами, машина займає багато місця на дорозі і на стоянці;
арочна шина – малий тиск на грунт, немає здавлювання грунту між колесами.
Рис. 10. Розвитку колісного рушія по лінії «Моно-бі-полисистема» Лінія №2. «Збільшення ступеня порожнистості» (див. рис. 11): одна порожнина;
кілька великих порожнин;
порожнисті траки гусениці;
пенонаполненные траки – гусениця не боїться проколів;
порожнини траків заповнені речовиною, змінює їх твердість залежно від стану грунту.
Рис. 11. Збільшення ступеня порожнистості гусеничного рушія
Рис. 1. Перерізу верхніх шарів грунту: А) неущільненому, Б) переущільненої Білий колір – простір для повітря або води. Чорний колір – грунт. Перерізу верхніх шарів неущільненому і переущільненої грунту наочно показують, на скільки скорочується простір для повітря і води під дією коліс і гусениць сільськогосподарських машин. Збільшення обсягу цього простору оздоровливает грунт [1]. «Дослідження американських фахівців показали, що ущільнення ґрунтів в основних зерносіючих районах США знижує урожай хлібів на 8-13%. У багатьох країнах, у тому числі і СРСР, були поставлені спеціальні досліди. Вони показали, що ущільнення пилувато-иловатого суглинку трактором, колеса якого тиснуть на землю з силою 2 кг/см2... знижує врожайність картоплі більш ніж на 50%. Є дані, що урожай помітно знижується навіть у тому випадку, коли питома вага землі збільшується всього на 0,01 г/см3» [2]. «Сьогодні потрібна техніка, заснована на нових наукових засадах. Традиційна техніка – це 300 кг металу на 1 га ріллі. Вона веде до переуплотнению і деградації ґрунту. Потрібні: реактивні плуги, почволюбивые ходові системи, вібраційні розпушувачі, роторні комбайни, пневмогусеничные трактори, плоскорізи замість плугів. У Канаді плуги не застосовуються з 1963 року. У Голландії застосовують мостове землеробство» [3]. Щоб зберегти та відновити родючість грунту, необхідно навчитися вирощувати продукти харчування без її руйнування та ущільнення. У статті подано короткий огляд відомих способів рішення цієї задачі та показано тенденції розвитку машин і технологій, що дозволяють передбачити нові способи її вирішення. Як обробляти ґрунт без її ущільнення? Грунт руйнують і ущільнюють колеса і гусениці сільськогосподарських машин: тракторів, комбайнів, вантажівок, сівалок, косарок і т. п. Всю цю техніку можна представити як систему для обробки грунту і рослин, що складається з двох частин: знаряддя обробки (знаряддя) і машини, які переміщують ці знаряддя («трактор») (див. рис. 2). Рис. 2. Система обробітку ґрунту та рослин Головна корисна функція «тягача» – переміщати знаряддя по полю. Небажаний ефект, який з'являється при цьому – руйнування та ущільнення ґрунту. Головна корисна функція знаряддя – обробляти ґрунт, рослина. Небажаний ефект, який з'являється при цьому – руйнування та ущільнення ґрунту. Головна функція системи «тягач» + знаряддя – обробляти ґрунт і рослини у відповідності з заданою технологією вирощування сільськогосподарської культури. Відповідно до законів розвитку технічних систем, описаними в теорії розв'язання винахідницьких завдань (ТРВЗ), основними тенденціями розвитку є: постійне зростання параметрів головною корисною функції системи і зменшення факторів розплати. Факторами розплати є різного роду витрати, пов'язані з виконанням функцій системи і небажані ефекти, які при цьому проявляються [4, 5]. Розглянемо ці тенденції для системи обробітку ґрунту і рослин «тягач» + знаряддя. Наприклад, для посівного агрегату зростання параметрів його головною корисною функції виражається в постійному зростанні кількості секцій у сівалки і збільшенні ширини захвату– 4, 6, 8, 12, 18 метрів. Постійне зниження факторів розплати, пов'язаних з виконанням функцій, що проявляється, наприклад, у прагненні знизити шкідливий ущільнене дія «тягача» і коліс знарядь на грунт. Прагнення розробників сільськогосподарської техніки слідувати цим тенденціям призводить до суперечливих вимог. Так, наприклад, щоб «тягач» міг тягнути широкозахватную сівалку, він повинен бути міцним і мати гарне зчеплення з грунтом. Але потужний «тягач» більше важить, а значить сильніше руйнує структуру грунту і сильно ущільнює її. Щоб цього уникнути, він повинен бути легким. Конструктор стикається з необхідністю подолати суперечність – «тягач» повинен бути важким і легким. Як подолати цю суперечність? Які способи пропонувалися і можуть бути запропоновані? СПОСІБ 1: МЕНШЕ ТИСНУТИ НА ГРУНТ Які існують шляхи зменшення тиску на грунт? Найбільш очевидними способами є: зменшення ваги машини;
збільшення площі контакту колеса з грунтом.
У першому випадку ми одразу стикаємося з тим же протиріччям: якщо зменшити вагу трактора, то тиск на грунт зменшиться, але також погіршаться його тягово-зчіпні властивості. Тому, щоб зберегти тягово-зчіпні властивості на рівні, необхідному для виконання агротехнічних операцій, доводиться використовувати великі грунтозацепи і збільшувати площу контакту коліс з грунтом. Це досягається за рахунок спаровування і страивания передніх і задніх коліс, встановлення коліс з широкопрофільними і арочними шинами, зниження тиску повітря в шинах (див. рис. 3, 4, 5). Рис. 3. Трактор зі спареними колесами [6] Рис. 4. Трактор з строєними колесами [7] Рис. 5. Трактор з арочними шинами [8] Застосування спарених шин знижує питомий тиск на ґрунт, що в 1,5–2 рази зменшує ступінь ущільнення по сліду трактора, підвищує прохідність агрегатів при підвищеній вологості і збільшує тягове зусилля. Це особливо важливо в ранні терміни проведення весняно-польових робіт при високому вмісті ґрунтової вологи [9]. Ці та інші способи зниження тиску на грунт докладно розглянуті в статті «Площа опори: доброго колеса повинно бути багато» на с. 80 (див.http://www.triz-profi.com/magazin2.html). Тут будуть згадані лише деякі з них для того, щоб простежити тенденції розвитку рушіїв сільськогосподарських машин. Шини наднизького тиску Зменшити тиск колеса на грунт можна, збільшивши пляма контакту і рівномірно розподіливши тиск. Цього можна досягти, знизивши тиск повітря в колесі. Всюдихід ТТС–70 на шинах наднизької тиску з обприскувачем Технічні характеристики[10]: Продуктивність, га/годину 50
Розмах крил, м 20
Заправна ємність, л 600
Тиск на грунт, кПа 8-13
Діапазон швидкостей, км/год 10-50
Всюдихід ТТС–70 У воронезькому ЗАТ «Топаз плюс» виготовили легкий і прохідний всюдихід ТТС-70 на шинах наднизької тиску. Його шини – оболонки низького тиску 70-150 г/см2 діаметром 1,2 метра, так що питоме навантаження всюдихода на грунт в кілька разів менше, ніж у самого екологічного трактора. Всюдихід працює за посівами в низькій фазі без пошкодження рослин і грунту. Його рекомендують застосовувати для поливу і підгодівлі рослин, розсипання отрутохімікатів. Він здатний працювати і сенокосилкой, на нього можна встановити культиватор-розпушувач, жнейку. По витраті пального ТТ-70 разів у двадцять економічніше існуючих тракторів. Установка системи глобального позиціонування (GPS) забезпечує нічну обробку полів без використання сигнальників [11].
Всім хороший всюдихід ТТС-70, але гладкі колеса не можуть створити великого тягового зусилля. Від колеса на гусениці Знизити тиск трактора на ґрунт і збільшити його тягові характеристики можна, якщо замість коліс використовувати металеві гусениці. Кращим вітчизняним колісним трактором визнаний К-701. На транспортно-технологічних операціях він незамінний. А при обробці грунту, посіві та обробці рослин важка машина сильно ущільнює грунт, при надлишку вологи колесо пробуксовує до глибокої колії, руйнуючи ґрунтовий покрив. Для усунення цього недоліку фахівці Всеросійського науково-дослідного проектно-технологічного інституту механізації і електрифікації сільського господарства запропонували оперативно міняти колесо на гусеницю. Операція заміни займає не більше 5 годин. Ніяких особливих пристосувань і навичок не потрібно. Гусениця може бути металевою або гумово-тросової. Новинка випробувана в 2002 році на полях колгоспу їм. Ворошилова в Ставропольському краї. З переходом на гусеницю площа плями контакту з грунтом збільшилася в 4 рази, а питомий тиск знизився вдвічі. Зменшилась у 2 рази і глибина колії на паровому полі [12]. Але металічна гусениця теж не вирішує всіх проблем, у неї є свої недоліки: руйнує покриття доріг при переїзді з одного поля на інше;
передає вібрації від двигунів і механізмів ґрунті, від чого вона сильно ущільнюється;
нерівномірно розподіляє тиск по плямі контакту з грунтом – це викликано тим, що вертикальне навантаження від кожного ковзанки передається на грунт практично через один трак і в результаті статичні тиску в зоні контакту гусениці зростають у кілька разів (див. рис. 6 ) [13, с. 99-100].
Рис. 6. Розподіл тиску в металевій гусениці транспортера Щоб захистити покриття доріг від руйнування та знизити вплив вібрації на грунт, було запропоновано зробити гусеницю гумовою. Вона більш рівномірно розподіляє тиск по опорній поверхні, що зменшує деформацію, ущільнення та руйнування ґрунту. Сучасні трактори оснащуються литими резинотросовыми гусеницями з автоматичним натягом. Вони забезпечують високу тягу при роботі на грязі і пухкому грунті, а щільний контакт з поверхнею забезпечує стійкість трактора (див. рис. 7). Рис. 7. Трактор з резинотросовой гусеницею [14] Пневматична гусениця Щоб ще зменшити тиск на грунт і зробити його більш рівномірним, було запропоновано об'єднати гарне поглинання вібрації пневматичним колесом з великою площею контакту у гусениці. Вийшла гумова пневматична гусениця. Гумова пневматична гусениця складається з окремих пневмоелементов. Кожен пневматичний елемент являє собою гумово–кордну оболонку, наповнену повітрям і складається з силового пояса, армованого металокордом, і пневматичної балона з розвиненою опорною поверхнею з грунтозацепами. Підкачка повітря в елементі в процесі експлуатації і контроль тиску повітря здійснюються через стандартний вентиль, встановлюється на кожний елемент. Величина внутрішнього тиску повітря по допустимим величинам вертикальних прогинів знаходиться для різних машин в діапазоні 1,5–2,2 кгс/см2. Резино–пневматична гусенична стрічка була випробувана в декількох варіантах на гусеничних снегоболотоходах і сільськогосподарських тракторах. Дослідження показали, що пневматична гусениця порівняно з металевої володіє рядом істотних переваг [15]: Значно більш рівномірна епюра тиску рушія на полотно шляху.
Менше пошкодження і ущільнення грунту.
Тягове зусилля машини на пневмогусеницах збільшується в 1,4–1,8 рази.
Опір руху машини на пневмогусеницах при русі по слабких грунтах зменшується в 1,2–1,5 рази.
Застосування пневмогусеницы дозволяє машині пересуватися по дорогах з удосконаленим покриттям без його пошкодження.
Трактор Т-54С-ПГ Трактор Т–150ПГ У період з 1976 по 1978 роки у галузевій науково-дослідній лабораторії всюдихідних машин були розроблені і досліджені пневмогусеничные рушії для тракторів Т-54С і Т-150ПГ [16]. Порівняльні випробування показали, що: максимальні напруження в ґрунті під катками трактора Т-54С-ПГ на 30-40% менше, ніж у трактора Т-70С (аналог) на всіх режимах руху;
загальна ущільнення ґрунту по слідах Т-54С-ПГ і Т-150-ПГ менше, ніж по слідах Т-70С та Т-150 відповідно на 23,9 та 28,3%.
Застосування пневматичних гусениць на транспортних засобах призводить до значного зниження ущільнюючого і руйнуючого впливу рушія на ґрунт [13, с. 103]. Це підтвердив у 1980 році відділ ходових систем Всесоюзного інституту механізації результатами випробувань в Армавирской дослідної станції [15].
Проведені випробування показали, що епюри тисків вздовж опорної поверхні пневматичної гусениці так само, як і в рушій з металевої гусеницею, є нерівномірними, але величина тиску і нерівномірність набагато нижче (див. рис. 8). Рис. 8. Розподіл тисків: а – в пневматичної гусениці; б – у металевій гусениці транспортера Аналогічні результати були отримані на порівняльних випробуваннях трактора ДТ-75Б з металевої гусеницею і трактора «Руслан» з пневматичної гусеницею (див. рис. 9). Гусеничний трактор ДТ-75Б Пневмогусеничный трактор «Руслан»
Рис. 9. Епюри нормальних контактних тисків (а) і опади торф'яної поклади (б) під гусеницями трактора ДТ-75Б і пневматичними гусеницями трактора «Руслан» [13, с. 102] Проведені дослідження показали, що пневматичний рушій найбільш повно відповідає вимогам, що пред'являються до рушіїв сільськогосподарських машин з точки зору зниження ущільнюючого впливу на грунт при збільшенні тягово-зчіпних характеристик і зниження металоємності рушія і машини в цілому [13, с. 104]. Однак і в пневматичної гусениці є недоліки: порівняно з металевої гусеницею:
можливість проколів;
низькі тягововые якості на слизьких покриттях;
чутливість до низьких температур повітря;
низька ремонтопридатність;
у порівнянні з автомобільним колесом: більш складна конструкція рушія;
високі втрати потужності при переміщенні по твердих дорогах;
відносно низький термін служби ходової частини.
Сьогодні пневматичні гусениці знайшли застосування на тихохідних машинах, призначених для роботи на багнистих грунтах – снігоболотохід, всюдиходи, екскаватори [17]. Установка пневматичної гусениці на екскаватор ЕО-4121 дозволила зменшити середнє питомий тиск на грунт з 65 кПа (0,65 кг/см2) на серійній металевої гусениці до 26 кПа (0,26 кг/см2) [18].
Трактор на повітряній подушці «Винахідники... прагнуть осягнути неосяжне: до неможливою мірі збільшити площу контакту опорних поверхонь трактора з землею і знизити тим самим тиск на неї. «В ідеалі» це завдання можна вирішити двома шляхами: або створити щось дуже близьке до справжньої живої гусениці;
або зовсім відмовитися від опори.
Безопорний трактор на повітряній подушці ще не отримав офіційного, усіма визнаного назви. У Польщі, наприклад, його охрестили «воздушковец», у Франції – «агроплан». Застосовують подібні машини і в США, і у нас, і в ряді інших країн. Поки тільки в експериментальних цілях. Але результати вже цілком солідні. Польський воздушковец, наприклад, на операціях хімічного захисту рослин рухається над полем з недосяжною для звичайних тракторів швидкістю 50 км/год. Французький агроплан по звичайним дорогам їде на звичайних колесах; повітряна подушка включається тільки по необхідності – над болотом, наприклад. В останньому випадку агроплан вагою три тонни (разом з вантажем) розвиває швидкість до 20 км/год. Що стосується копіювання способу руху «справжньої» гусениці, то тут поки що немає чим хвалитися. Конструкції, що народжуються на креслярських столах і в експериментальних цехах заводів, занадто складні, щоб конкурувати з традиційним тракторним рушієм» [2]. Всюдихід на повітряній подушці В омському ТОВ «АРКТИКА-М» був розроблений всюдихід на повітряній подушці, призначений для перевезення пасажирів та вантажів у тих місцях, де неможливо застосування іншого виду транспорту, крім вертольотів. На відміну від вертольота, він в десятки разів дешевше, перевершує вертоліт за запасом ходу, вантажопідйомності, машині не потрібні аеродроми, практично повна незалежність від стану погоди, часу доби і року. Всюдихід призначений для контролю магістральних трубопроводів, віддалених бурових установок, перекачувальних та дотискуючих станцій, ліній електропередачі. Може використовуватися геологами, працівниками сільського господарства. Всюдихід відповідає всім екологічним нормам і не порушує важко відновлюваний покрив тундри, чинячи тиск повітряним потоком не більше 12 гр/см2 [19].
Лінії розвитку Показані тут способи зменшення тиску на грунт дозволяють простежити кілька ліній розвитку рушіїв сільськогосподарських машин, що збігаються з лініями розвитку технічних систем, описаних в ТРИЗ [4, 5, 20]: Лінія №1. «Моно-бі-полисистема» (див. рис. 10): одне колесо на кінці осі чинить великий тиск на грунт;
два колеса на кінці осі – менший тиск на грунт, але спостерігається сильне здавлювання грунту між колесами;
три колеса на кінці осі – ще менше тиск на грунт, але зберігається здавлювання грунту між колесами, машина займає багато місця на дорозі і на стоянці;
арочна шина – малий тиск на грунт, немає здавлювання грунту між колесами.
Рис. 10. Розвитку колісного рушія по лінії «Моно-бі-полисистема» Лінія №2. «Збільшення ступеня порожнистості» (див. рис. 11): одна порожнина;
кілька великих порожнин;
порожнисті траки гусениці;
пенонаполненные траки – гусениця не боїться проколів;
порожнини траків заповнені речовиною, змінює їх твердість залежно від стану грунту.
Рис. 11. Збільшення ступеня порожнистості гусеничного рушія
Інші статті
