Способ 1: меньше давить на почву

Какие существуют пути уменьшения давления на почву?

Самыми очевидными способами являются:

увеличение площади контакта колеса с почвой.

В первом случае мы сразу сталкиваемся с тем же противоречием: если уменьшить вес трактора, то давление на почву уменьшится, но также ухудшатся его тягово-сцепные свойства. Поэтому, чтобы сохранить тягово-сцепные свойства на уровне, необходимом для выполнения агротехнических операций, приходится использовать большие грунтозацепы и увеличивать площадь контакта колес с почвой. Это достигается за счет спаривания и страивания передних и задних колес, установки колес с широкопрофильными и арочными шинами, снижения давления воздуха в шинах (см. рис. 3, 4, 5).

Рис. 3. Трактор со спаренными колесами [6] Рис. 4. Трактор со строенными колесами [7] Рис. 5. Трактор с арочными шинами [8] Применение спаренных шин снижает удельное давление на почву, что в 1,5-2 раза уменьшает степень уплотнения по следу трактора, повышает проходимость агрегатов при повышенной влажности и увеличивает их тяговое усилие. Это особенно важно в ранние сроки проведения весенне-полевых работ при высоком содержании почвенной влаги [9].

Эти и другие способы снижения давления на почву подробно рассмотрены в статье "Площадь опоры: хорошего колеса должно быть много" [47 с.80]. Здесь будут упомянуты лишь некоторые из них для того, чтобы проследить тенденции развития движителей сельскохозяйственных машин.

Шины сверхнизкого давления Уменьшить давление колеса на почву можно, увеличив пятно контакта и равномерно распределив давление. Этого можно достичь, снизив давление воздуха в колесе.

Вездеход ТТС-70 на шинах сверхнизкого Технические характеристики [10]:

Производительность, га/час Диапазон скоростей, км/ч 10- Всем хорош вездеход ТТС-70, но гладкие колеса не могут создать большого тягового усилия.

От колеса к гусенице Снизить давление трактора на почву и увеличить его тяговые характеристики можно, если вместо колес использовать металлические гусеницы.

на гусеницу. Операция замены занимает не более 5 часов. Никаких особых приспособлений и навыков не требуется. Гусеница может быть металлической или резино-тросовой.

Новинка испытана в 2002 году на полях колхоза им. Ворошилова в Ставропольском крае. С переходом на гусеницу площадь пятна контакта с почвой увеличилась в 4 раза, а удельное давление снизилось вдвое. Уменьшилась в 2 раза и глубина колеи на паровом поле [12].

Но металлическая гусеница тоже не решает всех проблем, у нее есть свои недостатки:

разрушает покрытия дорог при переезде с одного поля на другое;

передает вибрации от двигателей и механизмов почве, от чего она сильно неравномерно распределяет давление по пятну контакта с грунтом - это вызвано тем, что вертикальная нагрузка от каждого катка передается на грунт практически через один трак и в результате статические давления в зоне контакта гусеницы возрастают в несколько раз (см. рис. 6) [13, с. 99-100].

Рис. 6. Распределение давления в металлической гусенице транспортера Чтобы защитить покрытия дорог от разрушения и снизить влияние вибрации на почву, было предложено сделать гусеницу резиновой. Она более равномерно распределяет давление по опорной поверхности, что уменьшает деформацию, уплотнение и разрушение почвы.

Современные тракторы оснащаются литыми резинотросовыми гусеницами с автоматическим натяжением. Они обеспечивают высокую тягу при работе на грязи и рыхлой почве, а плотный контакт с поверхностью обеспечивает устойчивость трактора (см. рис. 7).

Рис. 7. Трактор с резинотросовой гусеницей [14] Пневматическая гусеница Чтобы еще уменьшить давление на почву и сделать его более равномерным, было предложено объединить хорошее поглощение вибрации пневматическим колесом с большой площадью контакта у гусеницы. Получилась резиновая пневматическая гусеница.

Резиновая пневматическая гусеница состоит из отдельных пневмоэлементов. Каждый пневматический элемент представляет собой резино-кордную оболочку, наполненную воздухом и состоящую из силового пояса, армированного металлокордом, и пневматического баллона с развитой опорной поверхностью с грунтозацепами. Подкачка воздуха в элемент в процессе эксплуатации и контроль давления воздуха осуществляются через стандартный вентиль, устанавливаемый в каждый элемент. Величина внутреннего давления воздуха по допустимым величинам вертикальных прогибов находится для разных машин в диапазоне 1,5-2,2 кгс/см2.

Резино-пневматическая гусеничная лента была испытана в нескольких вариантах на гусеничных снегоболотоходах и сельскохозяйственных тракторах.

Исследования показали, что пневматическая гусеница по сравнению с металлической обладает рядом существенных преимуществ [15]:

Значительно более равномерная эпюра давления движителя на полотно пути.

Меньшее повреждение и уплотнение почвы.

Тяговое усилие машины на пневмогусеницах увеличивается в 1,4-1,8 раза.

Сопротивление движению машины на пневмогусеницах при движении по слабым грунтам Применение пневмогусеницы позволяет машине передвигаться по дорогам с усовершенствованным покрытием без его повреждения.

Трактор Т-54С-ПГ Проведенные испытания показали, что эпюры давлений вдоль опорной поверхности пневматической гусеницы так же, как и в движителе с металлической гусеницей, являются неравномерными, но величина давления и неравномерность намного ниже (см. рис. 8).

Рис. 8. Распределение давлений: а - в пневматической гусенице; б - в металлической гусенице транспортера Аналогичные результаты были получены на сравнительных испытаниях трактора ДТБ с металлической гусеницей и трактора "Руслан" с пневматической гусеницей (см.

Гусеничный трактор ДТ-75Б Рис. 9. Эпюры нормальных контактных давлений (а) и осадки торфяной залежи (б) под гусеницами трактора ДТ-75Б и пневматическими гусеницами трактора "Руслан" [13, с. 102] Проведенные исследования показали, что пневматический движитель наиболее полно отвечает требованиям, предъявляемым к движителям сельскохозяйственных машин с точки зрения снижения уплотняющего воздействия на почву при увеличении тяговосцепных характеристик и снижения металлоемкости движителя и машины в целом [13, с. 104].

Однако и у пневматической гусеницы есть недостатки:

по сравнению с металлической гусеницей:

o низкие тягововые качества на скользких покрытиях;

o чувствительность к низким температурам воздуха;

по сравнению с автомобильным колесом:

o более сложная конструкция движителя;

o высокие потери мощности при перемещении по твердым дорогам;

o относительно низкий срок службы ходовой части.

Сегодня пневматические гусеницы нашли применение на тихоходных машинах, предназначенных для работы на топких грунтах - снегоболотоходы, вездеходы, экскаваторы [17].

Трактор на воздушной подушке "Изобретатели... стремятся объять необъятное: до невозможной степени увеличить площадь контакта опорных поверхностей трактора с землей и снизить тем самым давление на нее.

"В идеале" эту задачу можно решить двумя путями:

либо создать что-то очень близкое настоящей живой гусенице;

либо вовсе отказаться от опоры.

Безопорный трактор на воздушной подушке еще не получил официального, всеми признанного названия. В Польше, например, его окрестили "воздушковец", во Франции - "агроплан". Применяют подобные машины и в США, и у нас, и в ряде других стран. Пока только в экспериментальных целях. Но результаты уже вполне солидны.

Польский воздушковец, например, на операциях химической защиты растений двигается над полем с недосягаемой для обычных тракторов скоростью - 50 км/час.

Французский агроплан по обычным дорогам едет на обычных колесах; воздушная подушка включается только по необходимости - над болотом, например. В последнем случае агроплан весом в три тонны (вместе с грузом) развивает скорость до 20 км/час.

Что касается копирования способа движения "настоящей" гусеницы, то здесь пока нечем хвастаться. Конструкции, рождающиеся на чертежных столах и в экспериментальных цехах заводов, слишком сложны, чтобы конкурировать с традиционным тракторным движителем" [2].

работниками сельского хозяйства.

Вездеход отвечает всем экологическим нормам и не нарушает трудно восстанавливаемый покров тундры, оказывая давление воздушным потоком не более 12 гр/см2 [19].

Линии развития Показанные здесь способы уменьшения давления на почву позволяют проследить несколько линий развития движителей сельскохозяйственных машин, совпадающих с линиями развития технических систем, описанных в ТРИЗ [4, 5, 20]:

Линия №1. "Моно-би-полисистема" (см. рис. 10):

одно колесо на конце оси оказывает большое давление на грунт;

два колеса на конце оси - меньше давление на грунт, но наблюдается сильное сдавливание грунта между колесами;

три колеса на конце оси - еще меньше давление на грунт, но сохраняется сдавливание грунта между колесами, машина занимает много места на дороге арочная шина - малое давление на грунт, нет сдавливания грунта между Рис. 10. Развития колесного движителя по линии "Моно-би-полисистема" Линия №2. "Увеличение степени пустотности" (см. рис. 11):

несколько больших полостей;

пенонаполненные траки - гусеница не боится проколов;

полости траков заполнены веществом, изменяющим их твердость в зависимости от состояния почвы.

Рис. 11. Увеличение степени пустотности гусеничного движителя Линия №3. "Увеличение степени дробления системы" (движителя) (см. рис. 12):

металлическая гусеница;

пневматическое колесо;

пневматическая гусеница;

поток воздуха - воздушная подушка;

поле - силы выталкивания (сила Архимеда) - дирижабли.

Рис. 12. Развитие движителя по линии увеличения степени дробления Согласно линии развития технических систем в направлении увеличения степени дробления их рабочих органов движители следующих поколений должны действовать на микроуровне, быть еще более раздробленными - жидкостными, газовыми или полевыми (см. рис. 12). Некоторые из таких "микроуровневых" движителей уже существуют в виде экспериментальных машин, моделей, игрушек и фантастических идей. Например, щеточный движитель, вездеходы и суда на воздушной подушке, проект дирижабля-садовника, магнитоплан, антигравитон.