Модульные зерноуборочные агрегаты на базе универсальных энергетических средств

Введение. Последние годы сельскохозяйственное машиностроение предлагает агропромышленному комплексу (АПК) страны все более расширяющуюся номенклатуру самоходных специальных машин различного назначения. Такие машины в силу меньшей годовой загрузки имеют более высокую надежность. Однако увеличение в составе машинно-тракторного парка (МТП) дорогостоящих энергосредств, включая самоходные технологические машины и тракторы, требует больших капитальных вложений на их приобретение и сервисное сопровождение, что в сочетании с их низкой годовой загрузкой вызывает рост стоимости механизированных работ и продукции.

Альтернативой такому положению в АПК может стать применение универсальных или мобильных энергетических средств (УЭС или МЭС), реализующих блочно-модульный принцип агрегатирования с технологическими модулями-адаптерами (уборочными и другого назначения) при максимальном уровне их взаимной адаптации. Самое первое УЭС -трактор, для агрегатирования к которому, с момента его появления, разрабатывался целый шлейф прицепных машин, в том числе и уборочных. Однако особенно для уборочных прицепных технологических машин такой способ агрегатирования доставлял ряд сложностей. Основные из них, это асимметричное расположение жатвенной части, вызывающее боковой увод агрегата, для снижения которого приходилось уменьшать ширину захвата жатки, сложность транспортировки, и необходимость для его обслуживания большого количества персонала. Все это послужило для за- падных фирм в первой половине прошлого века стимулом развития новых направлений, создания самоходных уборочных машин (комбайнов) и разработки УЭС, реализующих варианты их агрегатирования, лишенных недостатков, присущих прицепному способу. Обзору развития новых направлений агрегатирования УЭС и посвящена представленная статья.

Целью данной статьи является ретроспективная оценка становления и перспективы развития зерноуборочных агрегатов модульного построения на базе УЭС и сменных уборочных модулей (УМ).

Материалы и методы исследования. В статье, на основе информационноаналитических и патентных исследований, приведены материалы и сведения о конструкциях и технических данных УЭС разных моделей и формируемых на их базе зерноуборочных агрегатов, выпускаемых в различные периоды развития, отражены аспекты фактической защищенности охранными документами их компоновочных и конструктивных решений.

Результаты и обсуждения. Наибольшее распространения нашли модели УЭС - семейства «Полесье» (ОАО «Гомсельмаш», Беларусь) и семейства «Хегіоп» (фирма «Claas», Германия). Авторами ранее был описан ряд разработок -«Универсальные технические системы для сельского хозяйства», раскрытых в основном на примере транспортных контейнерных систем на тракторной тяге [1]. Эти разработки являлись одним из этапов развития универсальных машин на селе. Транспортные агрегаты были созданы на базе прицепного шасси-носителя и сменных модулей: грузонесущих устройств, -кузовов или контейнеров. Уборочный модульный агрегат является более сложной универсальной системой, как в техническом, так и в технологическом построении и выполнении уборочного процесса, с включением в состав агрегата - УЭС, как шасси-носителя для составных УМ

УЭС появились в сельском хозяйстве стран Европы в первой половине прошлого столетия. Вначале были созданы самоход ные шасси с агрегатируемыми сменными навесными или накатываемыми вручную модулями-машинами и орудиями [2].

В качестве примера нами проиллюстрирована одна из начальных разработок (рисунок 1) по указанному направлению -самоходное шасси «Хукепак» G-85-BM фирмы «Карл Хюрт» (Германия).

Шасси обеспечивало выполнение технологических процессов с навесными машинами различного назначения (почвообрабатывающими и посевными), и далее, в том числе, с устанавливаемым на раму шасси с применением ручного труда УМ -зерноуборочным комбайном фирмы «Claas» с малым классом пропускной способности по зерну. Разработка комбайна начата в 1930 г., а его серийное производство - с 1953 г. Из рисунка 1 видно, что и замена уборочного модуля и его конструктивно-технологические решения построены на широком использовании ручного труда. Сбор обмолоченного зерна на комбайне осуществлялся в мешки, с последующим их сбросом на поле или с перегрузкой в транспортные средства.

Шасси «Хукепак» в агрегате с зерноуборочным комбайном «Claas» проходили испытания на уборке зерновых культур в производственных условиях СССР. Технические данные шасси «Хукепак» приведены в таблице 1.

В ходе испытаний было установлено, что мощность двигателя шасси (8,5 кВт) для привода рабочих органов комбайна не достаточна, особенно для его работы на уборке полей с влажным хлебостоем и на влажных почвах. Производительность комбайна не отвечала условиям крупномасштабного производства зерна и крупногруппового использования уборочной техники в СССР. Основная область работы таких комбайнов - малые формы хозяйствования. Такие агрегаты, кроме этого, не получили широкого применения на сельских полях главным образом из-за высокой трудоемкости и сложности монта-жа/демонтажа сменных УМ на шасси, из-за недостаточного развития уровня механизации операций по их замене.

а - комбайн на уборке зерновых культур; б - общий вид комбайна «Claas»;

6' - разъединение/соединение модуля-зерноуборочного комбайна (поз. 1) (вид справа) от шасси «Хукепак» G-85-BM (поз. 2)

Рисунок 1 - Серийный образец зерноуборочного комбайна блочно-модульного построения на базе самоходного шасси

Таблица 1 - Технические данные шасси «Хукепак» G-85-BM

Наименование показателей	Значение показателей
Страна, фирма изготовитель	Германия (ФРГ); «Карл Хюрт»
Тип шасси	Колесное, двухбрусное, универсальное
Тип двигателя	Дизель, одноцилиндровый
Мощность, кВт	8,5
Скорость движения, км/ч	До 20
Колея колес, мм: - управляемых - ведущих	1250...1850 1250...1950
База шасси, мм	2750
Радиус поворота, мм	3600
Масса шасси, кг	1200
Распределение массы по опорам, кг - передняя - задняя	255 975
Габариты, мм - длина - ширина - высота	4000 1900 2000

В машиностроении СССР направление по созданию уборочных машин блочно-модульного построения на базе УЭС получило развитие на Таганрогском ком байновом заводе в конструкциях самоходного шасси СШ-75 (рисунок 2) и сменных технологических УМ к нему [3]. Серийное производство их освоено с 1965 г.

а - составные модули; б- серийно-выпускаемый комбайн НК-4; 1 - шасси; 2 - жатвенный модуль; 3 - жатка; 4 - наклонная камера; 5 - модуль молота, очистки и накопления зерна

Рисунок 2 - Фрагменты построения модульного зерноуборочного комбайна НК-4 на базе самоходного шасси СШ-75

На шасси устанавливали зерноуборочный (НК-4), силосоуборочный (СКН-2,6) комбайны, саморазгружающийся кузов (КС-4), разбрасыватель удобрений (РСШ-3,5), загрузчик сеялок и другие модули. Технические данные по шасси и сменным модулям приведены в таблице 2, 3. Особенность конструкции УЭС заключалась в том, что силовая установка с ка биной смонтированы на раме шасси с помощью оси, обеспечивающей их поворот в горизонтальной плоскости на 1800. При агрегатировании с уборочным модулем кабина располагалась над ведущим мостом, снабженным колесами большого диаметра, а при агрегатировании с кузовами - над управляемыми колоссами.

Таблица 2 - Технические данные самоходного шасси СШ-75

Наименование показателей	Значение показателей по схеме построения шасси
	Симметричная схема	г-образная схема
Сухая масса, кг	4300	2585
Распределение массы по колесам, кг: - левое ведущее	1168	2585
- правое ведущее	1347	623
- на оба управляемые	1785	1110
Габариты, мм: - длина	5323	5473
- ширина	2440	3322
- высота	3039	3039
База, мм	3795	3795
Колея ведущих колес, мм	1972	2504
Колея управляемых колес, мм	1885	1885
Радиус поворота, м	7,6	7,6
Мощность двигателя, кВт	55	55

Таблица 3 - Технические данные модулей к шасси СШ-75

Наименование показателей	Значение показателей
Зерноуборочный комбайн НК-4
Масса шасси с комбайном/ молотилки с копнителем/ жатки, кг	8198/2750/1130
Распределение массы по опорам шасси с комбайном, кг: -левое ведущее колесо/правое ведущее колесо - на управляемые колеса	3233/2585 2380
Габариты, мм: длина/ширина/высота	10145/4400/3 610
Колея, мм	2020
База, мм	4175
Дорожный просвет, мм	600
Силосоуборочный комбайн СКН-2,6
Сухая масса шасси с комбайном, кг	7545
Масса силосорезки с бункером, кг	1700
Масса жатки, кг	1200
Габариты, мм: -длина - ширина - высота	10800 3350 3650
Дорожный просвет, мм	270

Блочно-модульное построение уборочных агрегатов выполнено с условием стыкования между собой составных частей УМ (молотилки зерноуборочного комбайна и впоследствии навешиваемой на него жатки) при прямоточной технологической схеме прохождения продукта уборки. Собственно технологический модуль был выполнен на существующем достигнутом конструктивно-технологическом уровне и мог управляться одним человеком. Основной недостаток разработанного набора сменных УМ для поочередного агрегатирования с самоходным шасси СШ-75 (как и шасси «Хукепак»), низкий уровень механизации операций по монтажу/демонтажу сменных УМ на шасси из-за его неудачного конструктивно-компоновочного исполнения. Поэтому, такой набор машин не получил должного развития и применения в сельском хозяйстве СССР, и шасси использовали в основном в качестве самосвального транспортного средства.

На следующем этапе разрабатывали модели УЭС, агрегатируемые с машинами-орудиями, зерноуборочными комбайнами или комплексами с использованием навесных и прицепных систем. Конструкции современных УЭС существенно выше по энергонасыщенности, обладают мощными грузоподъемными навесными системами, многовариантными трансмиссиями приводов ходовой части и рабочих органов на агрегатируемых сменных УМ с широким применением электроники и информационных технологий.

Это направление реализовано при разработке семейства УЭС «Полесье» ОАО «Гомсельмаш» (Беларусь) в период 1985-2000 гг. Компоновка шасси УЭС выполнена по традиционной тракторной (полурам-ной) схеме с колесами разного диаметра (рисунок 3) — увеличенного размера на несущем мосту и малого - на управляемом [4, 5]. В ней реализованы навесная и прицепная схемы агрегатирования с технологическими модулями.

Шасси оборудовано передней и задней навесными гидросистемами, а кабина -реверсивным постом управления. Семейство УЭС «Полесье» имеет несколько типоразмеров моделей, отличающихся по величинам эксплуатационных масс (7800-12500 кг), мощностей силовых установок (195-310 кВт) и развиваемого тягового усилия (30-50 кН и более).

а                                б

а - навесные модули; б - составные модули зерноуборочного комплекса КЗР-10;

в- серийно-выпускаемый комплекс КЗР-10 на уборке зерновых культур; 1 - кабина управления; 2 - шасси; 3, 4 - навесные технологические модули; 5 - прицепной модуль очистки и накопления зерна; 6 - система транспортирования зернового вороха;

7 - молотильное устройство роторного типа; 8 - жатвенная часть; 9 - уборочный модуль

Рисунок 3 - Фрагменты построения модульных агрегатов на основе УЭС «Полесье»

Для уборки зерновых культур на базе шасси УЭС создан модульный зерноуборочный комплекс КЗР-10(12), технические данные (в том числе результаты испытаний) по которому показаны в таблице 4.

Выбранная для уборочного комплекса согласно с принятой компоновкой УЭС система транспортирования зернового вороха между молотильным устройством и прицепным накопителем-очистителем несколько снижает пропускную способность агрегата по зерновому вороху за счет неравномерного его распределения по ширине рабочих органов накопителя-очистителя и ухудшает качество очистки зерна. Как видно из вышесказанного, недостаток УЭС «Полесье» состоит в невозможности монтажа сверху на его шасси сменных УМ для реализации прямоточного движения обрабатываемого материала в зерноуборочном варианте.

Таблица 4 - Технические данные по комплексу КЗР-10

Показатели	Численные значения
Габаритные размеры в рабочем положении (с жаткой 6,0 м), мм: - длина - ширина - высота	13290 6450 4000
Рабочая ширина захвата жатки, м	5,7
Объем бункера, mj	7,0
Масса комплекса с жаткой 6,0 м, кг, в том числе:	9415
- жатвенной части с проставкой	2100
- молотильно-сепарирующего устройства	2460
- очистителя-накопителя	4600
- системы транспортировки зернового вороха	225
Рабочая скорость, км/ч	5,4
Транспортная скорость, км/ч	20,0
Марка энергосредства	УЭС-2-250А
Мощность двигателя, кВт (л.с.)	213 (290)
Тип МСУ	Роторный с тангенциальной подачей
Диаметр ротора, мм	750
Длина ротора, мм	3000
Тип очистки	Ветрорешетная, двухстанная с жаллюзийными, регулируемыми решетами очистки
Площадь очистки, м2	4,91
Время выгрузки зерна из бункера, мин.	2,5-3,0
Производительность комплекса за 1 час: -    основного времени, т -    сменного времени, т -    эксплуатационного времени, т	13,66 8,55 8,4
Качество уборки пшеницы «Крепыш» влажностью 16,9%, влажностью соломы 20,8%, урожайностью 45,5 ц/га с рабочей скоростью 5,4 км/ч	Потери за жаткой - 0,96%, потери за комплексом - 2,22%

Не улучшает характеристики уборочного агрегата на базе УЭС принятая, навесная система соединения с шасси жатвенной части, объединенной с моло тильным устройством роторного типа, вызывающая перегрузку несущего моста Применение в компоновке шасси оси с колесами малого диаметра снижает его не- сущую способность. Среднее время замены УМ на шасси УЭС не превышает более 0,5 ч.

В конструкциях последних моделей УЭС применен сумматор передаваемой мощности от силовой установки на колеса компоновкой шасси семейства «Хегіоп» (фирма «Claas», Германия) и предложенной на его базе концептуальной схемы уборочного агрегата. Шасси УЭС семейства «Хегіоп» выполнено рамной конструкции со всеми колесами одинакового шасси с использованием механической и диаметра, с передней и задней навесными гидравлической ветвей трансмиссии.

Следующий этап развития уборочных агрегатов на базе УЭС представлен разра- гидросистемами, с перемещаемой и разворачиваемой на шасси кабиной (рисунок 4) - над осью или по центру шасси [б, 7].

ботанной и реализованной в металле новой

а — навесные и монтируемые сверху на шасси технологические модули; б - схема разрабатываемого зерноуборочного комбайна фирмой «Claas»; в- серийно выпускаемое УЭС«Хегіоп»-3300 в момент поворота кабины управления; 1 - кабина управления;

• 2    - шасси; 3 - транспортно-технологический модуль, монтируемый сверху на шасси;

• 4 , 5 - навесные технологические модули; б - модуль очистки и накопления зерна;

• 7    - уборочный модуль; 8 - жатвенная часть; 9 - молотильное устройство роторного типа;

10 - система транспортировки зернового вороха

Рисунок 4 - Фрагменты построения модульных агрегатов на основе УЭС «Хегіоп»

Сменные модули агрегатируют с помощью навесных гидросистем, или устанавливают сверху на раму шасси. Конструкции модулей выполнены в виде машин-орудий различного назначения. Шасси УЭС с перемещаемой кабиной имеет две модели: «Хепоп»-3300 и «Хепоп»-3 800 с мощностью силовых установок 245-280 кВт и собственной массой - 10200 кг.

Установка сменных модулей сверху на шасси УЭС осуществляется с помощью дополнительных погрузочных механизмов.

Грузоподъемность навесных систем УЭС составляет: передней - 8200 кг, задней - 11700 кг, а общая масса монтируемых модулей может достигать 23000 кт при нагрузке на каждый из мостов шасси до 18000 кг. Для обеспечения возможности монтажа на раму УЭС «Хегіоп»-УМ, в виде зерноуборочного комбайна фирмой «Claas» запатентована в России схема агрегатирования, которая конструктивно еще не реализована (рисунок 4 б).

К недостаткам уборочного агрегата на базе УЭС семейства «Хегіоп» следует отнести - отсутствие на его шасси собственного погрузочного механизма для замены, устанавливаемых сверху на шасси сменных модулей, совмещение жатвенной, молотильной и транспортирующей частей в одном УМ, навешиваемом на переднее навесное устройство, а также частичное сужение потока обрабатываемого материала, поступающего на очистку.

В результате проведенных в ФГБНУ СКНИИМЭСХ исследований, позволивших сформулировать требования к УЭС, как многоцелевому мобильному энергосредству, и анализа технологических схем и технических решений, реализуемых в конструкциях зерноуборочных, кормоуборочных и др. комбайнов, была разработана новая концепция построения модульных агрегатов на основе УЭС нового поколения [8, 9] (рисунки 5, 6). Были рассмотрены специфические свойства обрабатываемых транспортируемых и перегружаемых материалов, способы их забора, установки и снятия [10], виды работ и их сочетаний, выполняемых в сельскохозяйственных предприятиях Союза государств при производстве продукции полеводства, а также учитывалась возможность поставки техники, разрабатываемой в соответствии с новой концепцией, в другие страны.

а - строповка с подъемом, перемещением и опусканием; б - захват с подъемом, перемещением и опусканием; в, г - захват с подъемом и накатыванием; 1 - МЭС;

2 - кабина управления; 3 - передняя навесная система; 4 - задняя навесная система (прицепное устройство); 5 - устройство замены сменных модулей; 6 - сменный модуль

Рисунок 5 - Способы замены сменных модулей при агрегатировании с УЭС нового поколения

б

СМЕННЫЕ МОДУЛИ, навешиваемые посредством наклонной камеры и передней навесной системы шасси УЭС

СМЕННЫЕ МОДУЛИ, прицепные к шасси УЭС

'СМЕННЫЕ МОДУЛИ? монтируемые на шасси УЭС посредством собственного механизма

I - УЭС; 2 - механизм замены сменных модулей на шасси УЭС; 3 - сменный гусеничный ход; 4 - наклонная камера; 5, б - жатки для уборки хлебостоя зерновых кудьтур прямого среза и очесывающего типа; 7 - жатка для уборки зеленых кормов; 8 - подборщик хлебостоя зерновых культур из валков; 9 - жатка для уборки пропашных культур на силос; 10 - жатка для уборки подсолнечника; 11 - посевная машина; 12 - кузов для насыпных грузов; 13 - цистерна для жидких грузов; 14 - разбрасыватель удобрений;

15 - молотильно-сепарирующее устройство для зерновых культур; 16 - бункера-кузова для семян и удобрений; 17 - измельчитель кормов; 18 - погрузчик-экскаватор;

19 - початкоочиститель; 20 - переработчик стеблей льна; 21 - прицепной очиститель-накопитель зерна

Рисунок б - Концепт модульного построения технологических агрегатов на базе УЭС нового поколения и сменных модулей для села (пат. России № 243 1954, разработчик ФГБНУ СКНИИМЭСХ)

В результате были предложены четыре основных способа их агрегатирования с УЭС нового поколения [11]. Комплексные конструктивно-технологические решения включают взаимную увязку: применения рамной конструкции шасси с колесами одинакового диаметра; способов замены оборудования и устройств для их реализации в сочетании с изменением расположения кабины управления, обеспечивающих прямоточное движение обрабатываемого материала.

Шасси УЭС снабжено колесами одинакового размера на ведущих мостах, силовой установкой, расположенной в межколесном пространстве, собстенным мех-низмом замены (установки или снятия)

сменных модулей сверху на его шасси, а также передней и задней гидрофицирован-ными навесными системами. Кабина УЭС установлена на шасси с возможностью ее горизонтального поперечного перемещения на шасси относительно продольной оси агрегата, что повышает удобства монтажа модулей на шасси и осуществления контроля, за выполняемым агрегатом технологическим процессом. В состав сменяемых модулей к УЭС может входить широкий набор почвообрабатывающих и посевных орудий, а также УМ и модули другого назначения.

Результатом совместного научно-технического содружества ученых ФГБНУ СКНИИМЭСХ (г. Зерноград, Россия), кон- структоров и ведущих специалистов ОАО «Гомсельмаш» (г. Гомель, Беларусь) является, предложенная, усовершенствованная конструктивно-технологичес-кая схема аг регатирования шасси УЭС с УМ для уборки зерновых культур, выполнения транспортных и других видов работ (рисунок 7), [12].

а, б, в, г - составные модули зерноуборочного агрегата и их взаимодействие;

д - транспортный агрегат; 1 - УЭС; 2 - наклонная камера; 3 - жатвенная часть;

4 - молотильно-сепарирующее устройство (МСУ); 5 - прицепной очиститель-накопитель вороха; б - кабина управления; 7 - силовая установка; 8 - механизм замены модулей на шасси УЭС; 9 - кузов для перевозки грузов; 10 - рабочий орган МСУ

Рисунок 7 - Усовершенствованная схема построения модульных агрегатов на основе УЭС нового поколения (пат. России № 2574479)

Кабина управления УЭС смонтирована с возможностью поперечного перемещения относительно шасси УЭС поворотом вокруг одной из ее боковых стенок и фиксацией на одном уровне с шасси, или над шасси и наклонной камерой УМ. Это значительно повышает оперативность сопряжения рабочих органов УМ с шасси УЭС.

Главное отличие в построении зерноуборочного агрегата состоит в организации прямоточного потока движения обрабатываемого материала, обеспечивающего его равномерное по ширине распределение на механизмах очистки зернового вороха, что способствует повышению производительности агрегата в целом.

Одним из перспективных направлений в разработке и создании мобильных энергетических средств является применение на них комбинированных силовых установок, включающих двигатель внутреннего сгорания и генератор. Эта схема позволяет применить электропривод, как ходовых систем шасси, так и на всех технологических модулях, снабженных активными рабочими органами. При этом появляется возможность реализовать принци пиально новую схему, при которой технологические модули образуют с шасси одно целое, а его привод осуществляется от прицепной силовой установки [13].

Для передачи энергии и управления режимами ее работы установка снабжена соответствующими кабелями, длина которых позволяет осуществить маневрирование при замене технологического модуля. Один из вариантов такого решения приведен на рисунке 8.

• 1,2-    БМС-УМ бункерного и безбункерного типа; 3 - тягово-транспортное БМС;

4 - кабина; 5 - технологическая машина; б - электромотор; 7 - насосная станция;

8 - прицепное устройство; 9 - соединительный электрокабель; 10, 1 Об/ — силовая установка

Рисунок 8 - Схема построения модульных агрегатов на основе системы безмоторных мобильных средств (БМС)-УМ поочередного агрегатирования с единой силовой установкой (пат. России № 2566020)

Выводы. Повышение уровня технического оснащения сельского хозяйства может быть осуществлено путем создания модульных агрегатов на базе УЭС и сменных модулей, являющихся одним из перспективных направлений в развитии универсальных машин для села.

Серийно выпускаемые в настоящее время модели УЭС (семейств «Полесье» и «Хегіоп») имеют ряд достоинств, а также технические и технологические недостатки и требуют их дальнейшего совершенствования и развития.

Дальнейший этап развития уборочных агрегатов на базе универсальных энер госредств представлен решениями, изложенными в патентах фирмы «Claas» (Германия), СКНИИМЭСХ (Россия), и ОАО «Гомсельмаш» (Беларусь). Общее достоинство предложенных решений - применение шасси с колесами одинакового диаметра, возможность установки одного из блоков уборочного модуля на раму шасси. Недостатками решений в патентах фирмы «Claas» - навешивание жатвенного, молотильного и транспортирующего модуля на переднюю навесную систему шасси и отсутствие на нем собственного погрузочного механизма. Преимуществом, предложенных в российско-белорусских патентах решений является - наличие погрузочных устройств замены уборочных модулей, в сочетании с изменением места расположения кабины управления, обеспечивающих прямоточную подачу обрабатываемого материала.

В ФГБНУ СКНИИМЭСХ для села обосновываются и прорабатываются новые варианты концептов построения модульных агрегатов (поочередного агрегатирования) на базе УЭС, которые заслуживают определенного внимания со стороны машиностроителей и требуют развития на ближайшую и далекую перспективу при технической модернизации сельского хозяйства.