Переменный вес машины — уникальная инженерная задача для бункеровочных комбайнов.
Ни одна другая самоходная сельскохозяйственная машина не меняет свой вес так резко во время работы, как картофелемоуборочная машина с бортовым бункером. Комбайн заполняет зерновой бункер, что добавляет от 5 до 8 тонн — примерно от 30 до 401 тонны к весу пустой машины. Самоходный картофелемоуборочный комбайн заполняет бункер, что добавляет от 10 до 14 тонн — примерно от 55 до 801 тонны к весу пустой машины. Это изменение веса происходит за один проход по полю длиной от 200 до 500 метров, и планетарный редуктор привода колес необходимо постоянно обеспечивать его функционирование.
Изменение веса влияет на привод колес тремя одновременными способами. Во-первых, сопротивление качению увеличивается пропорционально весу — при коэффициенте сопротивления качению 0,10 на обработанной почве потребность в тяге возрастает с 17,7 кН (пустой) до 31,4 кН (полностью заполненный), что соответствует увеличению на 80%. Привод колес должен обеспечивать этот дополнительный крутящий момент, сохраняя при этом ту же скорость движения — это означает, что гидравлическая система должна увеличивать поток или давление к колесным двигателям по мере заполнения бункера. Во-вторых, распределение нагрузки на оси изменяется по мере заполнения бункера — задняя ось (под бункером) несет все большую часть общего веса, потенциально превышая допустимую нагрузку на шины, если бункер заполнен сверх проектной вместимости. В-третьих, давление на грунт под каждой шиной увеличивается с весом, в конечном итоге превышая несущую способность грунта и вызывая проседание машины — образование колеи, которая еще больше увеличивает сопротивление качению в самоподдерживающемся цикле.
Гидростатическая система привода автоматически компенсирует увеличение веса — гидравлический насос поддерживает постоянный поток (скорость), в то время как давление в системе повышается в соответствии с возрастающим крутящим моментом. Однако эта компенсация имеет предел: когда давление в системе достигает значения, установленного предохранительным клапаном насоса (обычно от 350 до 420 бар), дополнительный крутящий момент отсутствует — и машина либо замедляется, либо колеса пробуксовывают. Передаточное число планетарного редуктора привода колес должно быть выбрано таким образом, чтобы максимально требуемая сила тяги (при полной массе бункера, на мягкой почве, на самом крутом склоне поля) не превышала предел давления в гидравлической системе при целевой скорости уборки урожая.
Вес бункера также влияет на требования к торможению. Машина с полным бункером на склоне с уклоном 5% создает силу тяжести приблизительно 15,7 кН, которую тормоза привода колес должны непрерывно поглощать во время спуска. Если оператору одновременно необходимо снизить скорость для поворота на краю поля, потребность в торможении возрастает до 25–40 кН. Стояночный тормоз привода колес должен удерживать машину с полным бункером на максимально допустимом уклоне (обычно от 8 до 12%) — требуемая сила удержания на 80% выше, чем в случае пустого бункера. Тормозные системы, рассчитанные на пустую машину, будут проскальзывать на склонах, когда бункер полон — особенно опасная ситуация, поскольку машина наиболее тяжела в момент максимальной силы тяжести.
Синхронизация скорости копания — почему точность скорости ±5% определяет качество урожая.
Механизм выкапывания картофелеуборочной машины состоит из лезвия, которое поднимает почву с картофелем на ряд разделительных сеток (грохотов), которые отсеивают почву от картофеля. Скорость движения сетки, частота перемешивания и эффективность разделения калибруются для определенной скорости движения. Если привод колес обеспечивает скорость движения, отклоняющуюся от калиброванного значения, качество картофеля ухудшается.
| Ошибка скорости | Влияние на веб | Влияние урожая |
|---|---|---|
| Слишком быстро (>+10%) | Веб-сайт перегружен почвой | Неполное разделение — картофель, зарытый в комки земли в бункере. |
| Слишком медленно (>-10%) | Веб-сайт недогружен | Чрезмерное механическое воздействие — повреждение кожи, синяки, сокращение срока хранения. |
| Пульсация (±5%) | Неравномерное питание почвы | Чередование падений и голодания — периодические синяки |
Типичная скорость уборки картофеля составляет от 3 до 6 км/ч — медленнее, чем уборка кормовых культур, но быстрее, чем уборка яблок. При этой скорости выходной вал привода колес вращается со скоростью приблизительно от 8 до 20 об/мин. Точность скорости должна находиться в пределах ±5% от целевого значения — это означает, что привод колес и гидравлическая система вместе должны поддерживать скорость в пределах ±0,15–0,30 км/ч во всем диапазоне веса бункера, состояния почвы и уклона местности.
Точность скорости необходимо поддерживать при постоянно меняющихся требованиях к тяге, поскольку текстура почвы, содержание влаги и количество камней варьируются в пределах одного поля. Участок глинистой почвы увеличивает сопротивление качению на 30–501 тонну по сравнению с песчаным суглинком, и система управления скоростью должна компенсировать это в течение 1–2 секунд, чтобы предотвратить перегрузку или недостаток тяги у полотна. планетарный редуктор привода колес Он должен передавать эти непрерывные изменения крутящего момента, не внося собственных погрешностей скорости из-за люфта, пульсации зацепления шестерен или изменений трения в подшипниках.
Взаимосвязь между скоростью движения и качеством урожая можно измерить на упаковочном предприятии. Картофель, собранный с правильной скоростью (от 3 до 6 км/ч в зависимости от сорта, влажности почвы и содержания камней), имеет показатель внутренних повреждений от 5 до 10% при сортировке. Картофель, собранный на 20% быстрее, имеет показатель повреждений от 15 до 25% — из-за перегрузки конвейерной ленты, создающей более высокие ударные нагрузки в процессе отделения от почвы. Картофель, собранный на 20% медленнее, имеет показатель повреждения кожуры от 10 до 20% — из-за недостаточной нагрузки конвейерной ленты, подвергающей клубни чрезмерному времени перемешивания. Эти различия в качестве напрямую влияют на рыночную стоимость: картофель для свежего рынка с внутренними повреждениями менее 10% продается по цене на 20–40% выше, чем картофель перерабатывающего качества с более высоким уровнем повреждений. Таким образом, точность скорости вращения колес оказывает прямое, количественно измеримое влияние на выручку с гектара урожая картофеля.
Парадокс сцепления обработанной почвы с грунтом, облегчающий копание.
Картофельные поля обрабатываются таким образом, чтобы почва была рыхлой и легко поднималась — ведь ковш должен отделять клубни от окружающей почвы, не повреждая и не повреждая их. Такая обработка (вспашка, удаление камней, формирование грядок) снижает прочность почвы на сдвиг со 150–300 кПа (необработанная почва) до 30–80 кПа (обработанная грядка) — благодаря чему почву легко копать, но трудно передвигать по ней транспортным средствам.
Колесный привод должен обеспечивать сцепление с почвой, которая была преднамеренно ослаблена. Максимальный коэффициент тяги на обработанном картофельном поле составляет приблизительно 0,25–0,40 — по сравнению с 0,50–0,70 на нетронутой стерне. При коэффициенте 0,30 при полной нагрузке на заднюю ось в 18 тонн максимальное тяговое усилие на заднюю ось составляет приблизительно 53 кН — и сопротивление качению 32-тонной машины на мягком грунте уже поглощает 25–35 кН из этого, оставляя только 18–28 кН для тягового усилия при копании. Если ковш сталкивается с уплотненной зоной (остатками плужного поддона) или скоплением камней, тяговое усилие резко возрастает, превышая доступный избыток тягового усилия, и колеса пробуксовывают.
Таким образом, полный привод является стандартным для самоходных картофелеуборочных машин с рабочей массой более 25 тонн. Передняя ось несет приблизительно 401 тонну веса машины с пустым бункером, обеспечивая дополнительное сцепление, которое увеличивает общую доступную силу на 60–801 тонну по сравнению с задним приводом. Каждое колесо требует собственного планетарного редуктора — обычно 4 таких редуктора на полноприводной машине. Передние приводы должны обеспечивать угол поворота рулевого колеса от ±30 до 45 градусов при сохранении приводного соединения — для этого требуется либо шарнир равных угловых скоростей между приводом и управляемой ступицей, либо планетарный редуктор, интегрированный в ступицу колеса и вращающийся вместе с колесом.
Система контроля тяги также должна предотвращать пробуксовку колес на склоне при проходах по поперечным участкам. На поперечном склоне с нагрузкой 51 тонна на тонну (TP3T) перенос веса с склона вниз снижает тягу колес на склоне на 8–12 тонн на тонну (TP3T), а мягкая, обработанная почва не обеспечивает постепенного восстановления сцепления (в отличие от твердой почвы, где шина зарывается в грунт и обеспечивает сцепление). Привод колес должен включать функцию ограничения тяги (либо гидравлическое ограничение давления на каждое колесо, либо электронное управление проскальзыванием), которая предотвращает пробуксовку колеса на склоне, направляя доступный крутящий момент на колесо вниз. Время отклика системы контроля тяги должно быть быстрее времени развития пробуксовки колес — обычно менее 200 миллисекунд от первого обнаружения пробуксовки до снижения крутящего момента на пробуксовывающем колесе. На мягкой обработанной почве пробуксовывающее колесо может вырыть колею глубиной 50–100 мм в течение 1–2 секунд непрерывного проскальзывания, разрушая структуру картофельного поля и потенциально повреждая клубни в соседних рядах. Таким образом, быстродействующая электронная система контроля тяги с индивидуальным ограничением давления в каждом колесе и двигателе — это не просто функция оптимизации тяги, а требование для защиты урожая.
Три типа отказов, характерных для приводов колес картофелеуборочных машин.
Подшипник выходного вала колеса несет полную нагрузку на ось, которая увеличивается на 80% по мере заполнения бункера. На мягкой обработанной почве каждое столкновение колеса с колеей, бороздой или камнем создает ударную нагрузку, которая накладывается на статический вес. Динамическая нагрузка на подшипник во время работы с полным бункером на шероховатой обработанной почве может достигать 1,8–2,5 раз большей, чем статическая нагрузка без бункера — пиковое значение, которое подшипник должен выдерживать без повреждения поверхности. Подшипники, рассчитанные на статическую нагрузку без бункера, начнут разрушаться от усталости при динамической нагрузке с полным бункером в течение 1000–2000 часов — менее половины ожидаемого срока службы. Подшипник должен быть рассчитан на динамическую нагрузку с полным бункером с минимальным коэффициентом запаса прочности 1,5.
Почва на картофельных полях специально обрабатывается до мелкозернистой, рыхлой текстуры, в результате чего образуются частицы размером от 0,05 до 2 мм, которые проникают во все щели приводного механизма колеса. Почва скапливается в месте контакта шины со ступицей и затягивается в зону контакта с уплотнением вала за счет капиллярного эффекта и вибрации. В отличие от крупного песка и гравия, с которыми сталкиваются уплотнения строительной техники (которые отталкиваются лабиринтными предварительными уплотнениями), мелкая почва на картофельных полях проходит через стандартные лабиринтные зазоры и достигает кромки основного уплотнения. Оказавшись между кромкой и валом, эти частицы действуют как абразивный состав размером от 0,05 до 2 мм, изнашивая кромку уплотнения в 3-5 раз быстрее, чем это происходит на более крупнозернистых почвах.
На картофельных полях встречаются камни самых разных размеров, от гравия до валунов, — несмотря на то, что перед посадкой крупные камни удаляются в ходе камнеуборочных работ. Когда ковш ударяется о зарытый в землю камень, возникающий скачок тягового усилия передается через раму машины на привод колес в виде кратковременного увеличения тяги (ковш отталкивается назад, колеса толкают вперед). Одновременно колеса могут наезжать на камни, выброшенные из зоны копания, создавая ударные нагрузки в месте соприкосновения колеса с землей. Эти ударные нагрузки, вызванные камнями, могут достигать 2–4 раз больше среднего крутящего момента и возникают со скоростью 5–50 ударов в минуту на каменистых полях. Кумулятивная ударная нагрузка за 400-часовой сезон уборки урожая может превышать допустимый уровень усталости стандартных промышленных зубчатых передач на 200–300 тонн.
Часто задаваемые вопросы
Компания Korea Ever-Power предлагает приводы колес для картофелеуборочных машин с крутящим моментом от 5000 до 40000 Нм, рассчитанные на работу с подшипниками скольжения, защиту от загрязнения мелкой почвой и ударопрочность зубчатой передачи при ударах камней.
Редактор: Cxm
