Общие сведения о сельскохозяйственных машинах

КУРС ЛЕКЦИЙ

Конспект разработал: к.т.н., доцент Н.В. Савенков

 

Цель дисциплины – дать будущим агрономам[1] теоретические знания и практические навыки по устройству, работе и технологической настройке базовых моделей сельскохозяйственных машин для полеводства.

В результате изучения дисциплины студенты должны уметь:

— выполнять технологические регулировки сельскохозяйственных машин и агрегатов в стационарных условиях;

— проверять правильность выполнения технологических регулировок в стационарных и полевых условиях;

— корректировать технологические регулировки сельскохозяйственных машин в полевых условиях.

При изучении дисциплины проводятся лекционные, лабораторные и практические занятия.

На лекционных занятиях изучаются наиболее общие вопросы по сельскохозяйственным машинам; назначение, маркировка, классификация, особенности их устройства, работы и эксплуатации. На лабораторных занятиях студенты более углубленно и предметно изучают устройство данных машин, в том числе и соответствующих рабочих органов. В ходе практических занятий студенты получают навыки по анализу рабочего рабочий процесса и технологической настройке сельскохозяйственных машин на заданном режиме работы.

 

Лекция 1

Общие сведения о сельскохозяйственных машинах

 

Основная задача сельскохозяйственного производства — обес­печить население качественными продуктами питания, а перера­батывающую промышленность — соответствующими видами сы­рья. Для решения этой задачи важно подготовить специалистов, умеющих грамотно планировать и организовывать производство на сельскохозяйственных предприятиях.

Основой повышения производительности труда и снижения се­бестоимости сельскохозяйственной продукции является комплексная механизация - применение прогрессивных технологий и процессов.

 

1.1 История развития отечественного тракторостроения

 

Историю интенсификации сельскохозяйственного производства можно условно разделить на 3 этапа. Первый этап связан с использованием мотыги для вспашки земли (XV тысячелетие до н.э.). Характерным процессом для второго этапа является изобретение плуга[2] и использование для вспашки животных: рогатого скота, лошадей, ослов (III тысячелетие до н.э.).

Третий этап – период промышленной революции – наблюдался в ведущих государствах мира в XVIII-XIX веках. На данном этапе, в частности, началась массовая разработка, строительство и совершенствование сельскохозяйственных машин[3], которые позволили заменить мускульную силу полезной механической работой.

На рис. 1 изображены картины известных живописцев – Жан Франсуа Милле, Рудольфа Колера и Земскова Льва Николаевича – «Человек с мотыгой», «Вспашные волы» и «Пахота» соответственно, которые характеризуют рассматриваемые периоды сельского хозяйства.

 

 

Рис. 1 Этапы интенсификации земледелия

 

Гигантское развитие механизации мирового сельского хозяйства было связано с постановкой колоссальных задач перед промышленностью, направленных, в первую очередь, на создание сельскохозяйственной техники, к которой относят изделия отрасли сельскохозяйственного машиностроения: сельскохозяйственные машины, орудия, аппараты, приспособления, инвентарь и агрегаты.

Сельскохозяйственной машиной называют машину, рабочие органы которой выполняют непосредственно сельскохозяйственную операцию и приводятся в действие от источника энергии.

Основной сельскохозяйственной машиной является трактор.

Тра́ктор (от англ. track — след; от лат. trahere – тянуть, волочить) — самоходная колесная или гусеничная машина, выполняющая сельскохозяйственные, дорожно-строительные, землеройные, транспортные и другие работы в агрегате с прицепными, навесными или стационарными машинами (орудиями).

Трактор отличается низкой скоростью и большой силой тяги. Широко применяется в сельском хозяйстве для производства пахоты и перемещения несамоходных машин и сельскохозяйственных орудий. Трактор, как правило, оборудуется съемным или несъемным навесным и полунавесным оборудованием.

Таким образом, основной задачей трактора, выполняющего сельскохозяйственную работу, является производство пахоты при минимизации ее комплексной стоимости.

Сельскохозяйственным орудием называют присоединенное к трактору устройство, в котором отсутствуют приводимые в действие от трактора рабочие органы.

Под рабочим органом сельскохозяйственной машины понимается элемент (плуг, борона[4], культиватор[5]), предназначенный для выполнения одной или нескольких операций технологического процесса, выполняемого машиной.

Под технологическим процессом понимают качественное изменение обрабатываемого материала (размеров, формы, физических свойств) при воздействии на него рабочими органами сельскохозяйственных машин.

До Первой мировой войны ряд русских заводов приступил к организации тракторостроения. Эти работы были прерваны событиями 1914 г. Поэтому началом отечественного тракторостроения можно считать работу завода «Большевик» в Ленинграде (в настоящее время «ГОЗ Обуховский завод», г. Санкт-Петербург), организовавшего в 1918 году постройку трактора гусеничного типа по образу машин завода Holt (США). На фотографии,, приведенной на рис. 2 показан общий трактора. Мощность двигателя, работающего на керосине, 75 л.с., коробка передач имеет 2 передачи переднего хода и одну заднюю. Трактор гусеничный, снабжен одним передним управляемым колесом. В 1920 году Коломенский завод приступил к постройке трактора, сконструированного по типу «Могул». Трактор имеет рессорную подвеску и оснащен межколесным дифференциалом[6].

 

а) б)

в) г)

д) е)

ж) з)

Рис. 2 Отечественные тракторы: а) «Большевик» (Holt-75); б) трактор типа «Могул»; в) автоплуг системы Фаулера; г) трактор «Запорожец»; д) ФП «Фордзон Путиловский» (Z-50); е) «Интернационал»; ж) С-60; з) С-65.

 

В 1920 году 4-й Государственный автомобильный завод («Спартак») в Москве приступил к постройке автоплугов по системе Фаулера. Интересные работы по созданию оригинальных тракторов производились на заводе «Южно-Украинского Сельмаштреста» (трактор «Запорожец») и на заводе «Возрождение» в Марксштадте (в нас. время город Маркс) – трактор «Карлик». В 1923 году на заводе «Красный путиловец» в Ленинграде был организован серийный выпуск тракторов типа ФП «Фордзон Путиловский». За основу принята гусеничная машина Ford Z-50 (США). В 1926 году было принято решение о постройке завода в Сталинграде для крупносерийного выпуска тракторов типа «Интернационал» с мощностью двигателя 30 л.с[7].

1 июня 1933 года вступил в строй Челябинский тракторный завод, который выпускал гусеничные тракторы С-60 общего назначения. На тракторе был установлен карбюраторный двигатель мощностью 44,2 кВт; в качестве топлива применялся лигроин[8]. Трехступенчатая коробка передач позволяла получать скорость от 3 до 5,9 км/ч. Прототипом являлся американский трактор фирмы Caterpillar. С 1937 по 1941 год завод выпускал усовершенствованные гусеничные тракторы С-65. В 1940 году СССР по выпуску гусеничных тракторов занимал в мире первое место (40% общемирового производства).

В приведенном очерке рассмотрены промышленные модели отечественных тракторов. Также многими отечественными изобретателями, среди которых Блинов Ф.А., Мамин Я.В. и т.д., были предложены уникальные авторские конструкции тракторов.

После Великой Отечественной войны в 1946 году Кировский завод, эвакуированный из Ленинграда на Урал, выпускал трактор С-80, а после 1958 тракторы Т-100 и Т-100М. 14 октября с конвейера Минского тракторного завода сошел первый колесный трактор МТЗ-2 «Беларус» с пневматическими шинами. Трактор имел пятиступенчатую коробку передач и мог развивать скорость от 4,56 до 12,95 км/ч. С 1985 года завод освоил выпуск трактора МТЗ-100 с дизельным двигателем мощностью 100 л.с. В 1961 году Кировский завод освоил выпуск колесного трактора повышенной проходимости К-700 «Кировец». Трактор имеет мощность дизельного двигателя 220 л.с. К-700 разрабатывался как продукция двойного назначения: в военное время его предполагалось использовать как артиллерийский тягач. С 1971 года Харьковский тракторный завод (ХТЗ) начал выпуск колесного трактора общего назначения Т-150К. Машина оснащена дизельным двигателем мощностью 170 л.с., гидромеханической трансмиссией и сочлененной рамой. Рассмотренные модели тракторов показаны на рис. 3. Также на рисунки приведены современные тракторы российского производства: ЧТЗ Т10МБ (Челябинский тракторный завод) и Rostselmash Versatile 570 серии 4WD (Завод «Ростсельмаш», Ростов-на-Дону).

Основное направление дальнейшего совершенствования конструкций сельскохозяйственных тракторов заключается в повышении рабочих скоростей движения до 15 км/ч, увеличении энергонасыщенности за счет улучшения рабочего процесса тракторных двигателей.

 

а) б)

в) г)

д) е)

ж) з)

 

Рис. 3 Отечественные тракторы послевоенного производства: а) С-80; б) МТЗ-100; в) МТЗ-2 «Беларус»; г) МТЗ-100 «Беларус»; д) К-700 «Кировец»; е) Т-150К; ж) ЧТЗ-Т10МБ; з) Rostselmash Versatile 570 серии 4WD.

1.2 Классификация тракторов.

 

Тракторы применяют на сельскохозяйственных, строительных и дорожных работах, на лесоразработках, при осушении и орошении земель, а также для транспортировки грузов. Таким образом, Чтобы выполнить большое количество разнообразных по своему характеру работ, народному хозяйству нужны тракторы различных типов. Совокупность моделей тракторов, выпускаемых для удовлетворения потребностей народного хозяйства, образует типаж тракторов.

Основы теории сельскохозяйственных машин и соответствующая дисциплина «Земледельческая механика» были разработаны академиком Василием Прохоровичем Горячкиным (1868-1935 г.г.).

Сельскохозяйственные тракторы классифицируют по следующим признакам:

1. По тяговому классу. Под тяговым классом подразумевается усилие, которое трактор может реализовать на стерне (чернозем или суглинок) при нормальной влажности и плотности при условии, что буксование[9] движителей не превышает допустимых значений. Для сельскохозяйственных тракторов буксование не должно превышать: для гусеничных — не более 3 %, колёсных с колесной формулой[10] 4×4 — не более 14 %, колёсных с колесной формулой 4×2 — не более 16 %.

В сельскохозяйственном производстве наибольшее применение получили тракторы девяти классов с тяговым усилием 2; 6; 9; 14; 20; 30; 40; 50; 60 кН.

Каждый класс содержит одну основную (базовую) модель трактора и несколько ее разновидностей (модификаций). Последние используют для выполнения специальных сельскохозяйственных операций. По конструкции модификация представляет собой видоизмененную модель базового трактора, сохраняющую его основные агрегаты, т.е. имеющую высокую степень единообразия (унификации).

2. По назначению:

а) общего назначения; предназначены для выполнения наиболее трудоемких видов работ; характерные особенности: тяговое усилие 20-80кН, рабочая скорость 5-15 км/ч; мощность двигателя 8-220 кВт; дорожный просвет[11] – 250-300 мм.

б) универсально-пропашные; предназначены для наиболее эффективного выполнения работ с пропашными культурами; характерные особенности: тяговое усилие 2-14 кН; увеличенный до 600-800 мм дорожный просвет; малый радиус поворота (3-4 м); изменяемая колея[12]; минимальная ширина колес или гусениц; мощность двигателя 14,7-73,5 кВт.

в) специализированные; предназначенные для работы в специфических условиях – например, в болотистой или горной местности и т.д. Конструкционные особенности таких машин ключевым образом зависят от их назначения; например для болотистой местности могут применяться тракторы с увеличенной шириной гусеницы с целью уменьшения удельного давления на опорную поверхность.

3. По типу ходовой части (движителя[13]):

а) гусеничные; по отношению к колесным создают меньшее удельное давление на грунт (0,035-0,050 МПа – в пересчете это составляет 0,35-0,5 кг/см²; для сравнения человек, массой 75 кг, обладает удельным давлением на грунт 0,25 кг/см²), характеризуются меньшей потерей мощности на буксование и обеспечивают высокую проходимость.

б) колесные; характеризуются меньшей потерей мощности в движителе, меньшей металлоемкостью, большими скоростями движения, меньшим шумом, но более склонны к буксованию. С целью улучшения тягово-сцепных свойств некоторые конструкции колесных тракторов имеют полноприводное[14] исполнение.

в) колесно-гусеничные.

4. По типу остова:

а) рамные;

б) полурамные;

в) безрамные.

Остов является несущей частью трактора, его основанием. Он нагружен весом агрегатов и воспринимает динамические эксплуатационные нагрузки. Остов должен иметь необходимую жесткость и прочность, а также работать без замены весь срок службы трактора.

Рамный остов образуют основные продольные балки, которые связываются поперечинами. Такой остов облегчает доступ к отдельным агрегатам и их замену, но имеет относительно большую массу.

Рамный остов применяют на гусеничных тракторах, а также на колесных с шарнирно-сочлененной рамой (Т-150К, К-700/К-701), рис. 4а. Такая конструкция служит для разгрузки рамы от дополнительных скручивающих нагрузок при движении по пересеченной местности.

Полурамный остов образован корпусами силовой передачи трактора, соединенных с лонжеронами полурамы, на которую установлен двигатель – рис. 4б. Такой остов удобен для навески машин, демонтажа двигателя, легче рамного, однако доступ к отдельным механизмам затруднен. Полурамный остов получил широкое распространение на сельскохозяйственных универсально-пропашных тракторах общего назначения.

 

а)

1- передняя полурама; 4 – задняя полурама; 3 – шарнирное устройство; 2 – вертикальный шарнир; 5 – горизонтальный шарнир

 

б)

1,2,3 – литые корпуса центральной передачи, коробки передач и сцепления, соединенные жестко между собой; 4 и 5 – полурама и опорный брус двигателя и переднего моста соответственно.

 

Рис. 4 Типы остова тракторов: а) шарнирно-сочлененная рама трактора К-150; б) полурамный остов трактора МТЗ 80.

 

Безрамный остов образуют жестко соединенные друг с другом картеры силовой передачи и двигателя. Преимущества - высокая жесткость и компактность. Недостаток - труднодоступность механизмов трансмиссии, худшие условия для навески машин. Пример применения – универсально- пропашной трактор ДТ-20.

5. По компоновочной схеме:

Классической для гусеничных тракторов является схема с передним расположением двигателя и задним расположением поста управления. Такая схема обеспечивает хороший обзор навесных машин и орудий, а также обуславливает переднее расположение центра тяжести. Это необходимо сельскохозяйственному трактору ввиду того, что его задняя часть в догружается в процессе работы весом и вертикальной реакцией навесного орудия. Встречаются также и другие компоновочные схемы гусеничных тракторов - например с передним расположением кабины и задним расположением двигателя, рис. 5.

Гусеничные тракторы имеют преимущественно рамный остов. Полурамным остовом обладают тракторы с полужесткой подвеской, например Т-4 и Т-130. Безрамный остов имеют гусеничные тракторы с групповой упругой или жесткой подвеской опорных катков к балансирному брусу, например Т-330 (рис. 5б).

 

 

а) б)

Рис. 5. Уникальные отечественные тракторы: а) ДТ-20; б) Т-330.

 

а) б)

Рис. 6. Гусеничные тракторы с полурамным остовом: а) Т-4; б) Т-130.

 

Колёсные тракторы строятся по двум классическим схемам: с увеличенными задними колёсами и с колёсами одинакового диаметра. Конструкции могут быть как заднеприводными, так и полноприводными.

Тракторы с увеличенными задними колёсами, например МТЗ-80 имеют полурамный остов и классическую компоновочную схему.

Тракторы с колёсами одинакового диаметра (например, К-700 «Кировец»), как правило, имеют рамный остов, состоящий из двух полурам (рис. 4а), соединенных шарнирами. На каждой из полурам установлено по ведущему мосту. Управление поворотом осуществляется за счет относительного поворота полурам.

6. По колесной формуле. Для всех колесных тракторов и автмообилей основная колесная формула состоит из 2-х цифр: первая – общее число колес; вторая – число ведущих колес. При этом двухскатные колеса считаются за одно. Пример колесной формулы: 4x2 – четыре колеса, задние колеса ведущие; 4x4 – четыре колеса, все колеса ведущие (машина полноприводная).

1.3 Общее устройство тракторов

 

Трактор состоит из большого количества деталей, приборов, узлов и агрегатов. Рассмотрим основные термины и определения.

Деталь – отдельная неделимая часть машины.

Узел – часть машины (агрегата) состоящая из нескольких связанных между собой деталей.

Агрегат – механическое соединение в одно целое нескольких однородных или разнородных частей выполняющих определенную функцию.

Прибор – специальное устройство (аппарат) для произведения какой-либо самостоятельной работы.

В зависимости от назначения и рода выполняемой работы все части трактора возможно разделить на отдельные составляющие по группам:

1) несущая система (остов);

2) двигатель;

3) трансмиссия;

4) ходовая часть;

5) механизмы управления;

6) системы агрегатирования;

7) вспомогательное оборудование.

Такое понятие как остов трактора и соответствующая классификация было рассмотрено в предыдущем параграфе.

Двигатель – это источник механической работы.

Трансмиссия – совокупность механизмов и агрегатов (муфта сцепления, соединительный вал, коробка передач, планетарные механизмы, главная и конечные передачи, дифференциал, коробка отбора мощности), предназначенных для передачи потока мощности, развиваемого двигателем, к ведущим колесам либо гусеничному движителю трактора. Трансмиссия выполняет согласование режима работы двигателя с эксплуатационными условиям движения колесной машины.

Сцепление – механизм, предназначенный для кратковременного разъединения двигателя и трансмиссии, а также для и плавного их соединения при трогании машины с места и при переключении передач. Муфта сцепления имеет в своей конструкции демпфер крутильных колебаний, позволяющий снизить пагубной влияние динамических нагрузок в трансмиссии (аналогичную функцию также выполняет пневматических шина колесного трактора).

Коробка передач – служит для изменения крутящего момента на ведущих колесах автомобиля, длительного разъединения двигателя и трансмиссии и получения заднего хода.

Главная передача – служит для увеличения крутящего момента, подводимого к ведущим колесам.

Полуоси – передают крутящий момент от дифференциала к ведущим колесам.

 

 

 

 

Рис. 7 Общее устройство трактора на примере колесной машины МТЗ-1221 «Беларус»:

1 – остов; 2 – двигатель; 3 – муфта сцепления; 4 – коробка передач; 5 – дифференциал; 6 – главная передача; 7 – ходовая часть; 8 – кронштейны для размещения систем агрегатирования; 9 – вспомогательное оборудование (кабина); 10 – коробка отбора мощности.

 

Ходовая часть служит для преобразования вращательного движения ведущих колес (или звездочек гусеничного движителя) в поступательное движение трактора. Кроме движителя в нее входят управляемые колеса, некоторые тракторы оснащены подвеской, предназначенной для уменьшения амплитуды и частоты колебаний, возникающих при движении машины по неровностям.

Механизмы управления – служат для изменения направления и скорости движения трактора. К данным механизмам относят рулевое управление и тормозную систему.

 

 

Лекция 2