На протяжении всей истории человечества люди стремились получить больше продукции при меньших затратах труда. Так было и на заре развития общества, когда основой существования людей была охота, рыболовство, собирательство, так и сейчас.
За время существования человеческого общества производительные силы достигли колоссального развития. Производство исторически начинается с изготовления и использования самых примитивных каменных, костяных и деревянных орудий - каменного рубила и остроконечника, дубины и копья, изделий из кости. Расширило возможности человека изобретение лука и стрел. У людей накапливался набор простейших орудий.
Переход к земледелию и скотоводству позволил перейти к оседлой жизни. Появились более совершенные орудия для обработки почвы, уборки урожая и других работ.
Развитие земледельческих орудий постепенно привело к появлению сначала сохи различных конструкций, а затем и плуга, который, постоянно совершенствуясь, дошел идо наших дней. На уборке урожая зерновых в течение длительного времени применялся серп или косы-горбуши с граблями.
Несмотря на то, что в течение столетий было изобретено несколько вариантов жатвенных машин, широкого распространения они не получили - не пришло их время. Ф. Энгельс писал: «Если... техника зависит от состояния науки, то в гораздо большей мере наука зависит от состояния и потребностей техники. Если у общества появляется техническая потребность, то это продвигает науку вперед больше, чем десяток университетов». Ввиду преобладающей доли сельского населения с достаточным количеством рабочих рук, особенно в России, серп оставался главным орудием уборки в течение многих веков вплоть до начала двадцатых годов последнего века второго тысячелетия.
Промышленный переворот в ряде европейских стран, рост городского населения снизили долю сельского населения, а потребность в продуктах питания возросла. Особенно недостаток хлеба ощущался в Англии. Возникла необходимость ввоза хлеба из других стран, главным образом, из России [1]. Поэтому и в Англии, и в России появилось большое количество предложений по созданию зерноуборочных машин. Сначала жатвенные механизмы основывались на принципе обрыва колосьев. Но в девятнадцатом веке появились изобретения, в которых режущий аппарат работал по принципу ножниц. Режущий аппарат с возвратно- поступательным движением ножа в принципе сохранился до сих пор. Работы по его усовершенствованию велись и ведутся сейчас.
В девятнадцатом веке первенство по созданию и активному внедрению в сельскохозяйственное производство уборочной техники переходит к США, так как ввиду быстрого роста населения, главным образом за счет переселенцев из Европы и рабов из Африки, и развития промышленности потребовалось механизировать сельскохозяйственное производство.
Русские изобретатели внесли огромный вклад в создание многих сельскохозяйственных машин и отдельных механизмов, но слаборазвитая промышленность России, дешевый труд крепостных крестьян сдерживали активную механизацию сельского хозяйства.
Активное производство тракторов и сельскохозяйственных машин для обработки земли и уборки урожая началось с двадцатых годов теперь уже прошлого столетия. Этому предшествовало большое количество научных исследований русских ученых.
Созданию и исследованию целого класса механизмов посвятил свои работы известный ученый, академик П.Л. Чебышев. Эти механизмы носят его имя, как «механизмы Чебышева». Особенно велика его заслуга в блестящем разрешении вопросов синтеза механизмов [2]. Предложенная П.Л. Чебышевым структурная формула плоских механизмов носит его имя.
Большой вклад в теорию сельскохозяйственных машин внес ученик Н.Е. Жуковского академик В.П. Горячкин. Его по праву можно считать основоположником в области теории и расчета сельскохозяйственных машин. В.П. Горячкин является автором большого количества работ, наиболее важными из которых являются: «Теория массы и скоростей сельскохозяйственных машин и орудий», «Силы инерции и их уравновешивание» и другие. В 1919 году он опубликовал свою монографию «Земледельческая механика» - первое в мировой научно-технической литературе сочинение по основам теории машин (последнее издание в трех томах вышло в 1965 году [3 ].
В.П. Горячкин впервые научно доказал, что механика любой машины должна изучаться системно, в непрерывной связи с механикой выполняемого ею технологического процесса и особенностями энергетических устройств, приводящих ее в движение.
Академик И.И. Артоболевский, ученик В.П. Горячкина, так охарактеризовал широту научной деятельности своего учителя: «В своих работах академик В.П. Горячкиндал теоретическое обоснование таким сложным и до сих пор недостаточно изученным сельскохозяйственным технологическим операциям и процессам, как разрушение почвенного пласта при пахоте, резание почв, стеблей, обмолот зерна и зернобобовых культур, дробление и разрушение сельскохозяйственных материалов, сепарирование их и сортирование.
Большая заслуга В.П. Горячкина - внедрение в практическую механику аналитических методов исследования кинематики и динамики механизмов сельскохозяйственных машин. Касаясь связи машин, работающих в сельскохозяйственном производстве с живой природой, И.И. Артоболевский приводит интересные философские взгляды на эту тему В.П. Горячкина: «...механизация сельского хозяйства не только не должна оттеснять интерес к живому двигателю, но должна побуждать усиленно им заниматься... чтобы заимствовать и научиться у живой природы, как надо строить механизмы и источники энергии. В этом отношении земледельческая механика в отличие от других как раз стоит посредине между живой природой и общей техникой, так как сельскохозяйственные машины не прикреплены к фундаменту, а перемещаются в пространстве, как живые существа» [4].
Совместно с В.П. Горячкиным работал профессор Н.И. Мерцалов, разработавший кинематику механизмов и динамический метод исследования механизмов, известный в научно-исследовательской литературе как «метод Мерцалова». Занимался Н.И. Мерцалов исследованием.
Совместно с профессором С.И. Артоболевским и другими учеными И.И. Артоболевский систематизировал существующие в практике и новые механизмы и опубликовал справочник «Механизмы», переизданный в 1970... 1976 годах под названием «Механизмы в современной технике» в 5 томах. В этом труде проведена систематизация большого количества механизмов, которая помогает решению инженерных, технических и конструкторских задач.
Очень интересные мысли о будущем сельскохозяйственного производства И.И. Артоболевский выразил в работе «Перспективные проблемы земледельческой механики» [4]: «Чтобы успешно решать такую первоочередную задачу, как интенсификация всего сельскохозяйственного производства, необходимо завершить его механизацию и перейти сначала к частичной, а в дальнейшем и к полной автоматизации... Завершение механизации сельскохозяйственных процессов и переход к их автоматизации - одно из непременных условий превращения сельскохозяйственного труда в разновидность труда индустриального» и далее «...При высоких скоростях протекания основных сельскохозяйственных рабочих процессов, резком перепаде температур человек не только больше утомляется, но зачастую просто не успевает реагировать на получаемую им в процессе работы информацию и может как бы «выпустить» из своих рук управление машиной. Нельзя не считаться и с тем, что многие трудовые операции в сельскохозяйственном производстве все еще связаны со значительным физическим напряжением, происходят в неблагоприятных условиях среды (запыленность, загазованность воздуха и т. д.). Ясно, что на этом этапе первостепенной задачей не только непосредственных создателей сельскохозяйственных машин, но и ученых становится освобождение человека от работы в таких условиях. Этого можно достигнуть только разработкой общих теоретических проблем, необходимых для проектирования и скорейшего внедрения различных машин и систем автоматического действия.
В жизнь внедряются промышленные роботы, манипуляторы, автооператоры и другие системы. В сельском хозяйстве такие системы, обладающие большим числом степеней подвижности, с автономным или централизованным управлением должны в первую очередь заменять людей на тяжелых погрузочно-разгрузочных работах, на сортировке, штабелировании, укладке и обработке отдельных продуктов, а в дальнейшем и на более сложных специфических операциях В поле будут выполняться лишь те технологические операции, которые нельзя перенести в стационарные условия (обработкапочвы, внесение удобрений, посев, сбор урожая и т.д.). Остальные процессы, такие, как обмолот, процессы сепарации, сушки, упаковки должны осуществляться на стационарных автоматизированных пунктах, расположенных в непосредственной близости от хозяйств, ферм, перерабатывающих промышленных предприятий, железнодорожных станций. Все эти процессы можно запрограммировать и управлять ими автономно или централизованно с помощью ЭВМ».
Усложнилась и сама наука. Вся она в целом, а особенно отдельные сферы научного знания, становится непонятной не только «человеку с улицы», но и просто специалисту в узкой области. Сложность объектов, исследуемых современной наукой, специфичность понятий, требующая для проникновения в них длительной и глубокой предварительной подготовки, затрудненность наглядной интерпретации полученных результатов превратили многие области науки в территории, доступные лишь для посвященных.
Об этом можно сожалеть, но верно и то, что на «верхний этаж» науки нельзя подняться на скоростном лифте, а надо, как и раньше, терпеливо прошагать по всем многочисленным ступенькам, ведущим к нему».
В конце 20-х годов прошлого века в СССР началось интенсивное строительство комбайнов. До начала Великой Отечественной войны комбайны в основном были прицепными. После войны началось производство самоходных комбайнов С-4. В 19571958 годах начался выпуск комбайнов с базовой моделью СК-3. В этой модели были использованы многие оригинальные технические решения:
- жатка с независимой подвеской, автоматически копирующая рельеф поля в продольном и поперечном направлениях на заданной высоте среза;
- блокированное управление установкой мотовила по горизонтали и вертикали относительно режущего аппарата и шнека жатки;
- регулирование частоты вращения мотовила и ряд других усовершенствований.
В дальнейшем были созданы комбайны СК-4А, СКД-5 «Сибиряк», СК-5 «Нива» и другие. В этих комбайнах совершенствовался молотильный аппарат. Но в комбайне СК-5 применен режущий аппарат косилочного типа с коваными пальцами и возможностью установки жатки на различную высоту среза.
Новейшими комбайнами, в которых использованы последние достижения науки, являются комбайны семейства Вектор (Вектор 410, Вектор - 420) и комбайны семейства Акрос (Акрос 550, Акрос 530). В жатвенной части наклонная камера изготовлена из двух частей для ускорения монтажа и демонтажа. Применен гидравлический привод ходовой части, усовершенствованная молотилка и ряд других узлов.
Как отмечалось выше, в создаваемых комбайнах использовались научные достижения, которые вносили научные коллективы и отдельные ученые.
Теорией резания при скашивании зерновых культур и трав занимались такие ученые: В.П. Горячкин, В.А. Желиговский, Н.И. Дроздов , Е.С. Босой, М.В. Сабликов , П.Н. Барвенко и В.П. Гаврилов , А.И. Будко , Ю.А. Вейс , С.М. Коган , Я.М. Жук , Н.И. Кпенин и В.А. Сакун [5], и многие другие.
В этих работах рассматривалось взаимодействие сегмента ножа, стеблей и противорежущей пластины. Как теоретически, так и экспериментально определена технологическая скорость, то есть скорость, обеспечивающая чистый срез растений с минимальным сопротивлением для трав и зерновых культур. Исследована диаграмма движения сегмента, отгиб стеблей в поперечном и продольном направлениях, из условия защемления стеблей и наименьшего усилия резания определены углы уклона лезвия ножа и противорежущей пластины, рассчитаны геометрические размеры сегмента. Кроме того, определены затраты энергии, необходимые для срезания одного стебля и всех стеблей с единицы площади.
Благодаря этим работам удалось выбрать оптимальные размеры режущих аппаратов, частоту колебаний ножа, затраты энергии на скашивание стеблей с одного квадратного метра при различной их густоте (урожайности) и т. д ...
Различают режущие аппараты трех типов: нормального резания, среднего резания и низкого резания.
Режущий аппарат нормального резания применяется в двух вариантах: с одинарным пробегом и с удвоенным пробегом ножа.
Режущий аппарат среднего резания отличается тем, что ход ножа и шаг режущей части больше шага противорежущей части, но не кратный ему.
Режущий аппарат низкого резания характеризуется тем, что ход ножа равен его шагу, а расстановка пальцев в два раза чаще, чем у аппаратов нормального резания.
На режущие аппараты и их элементы разработан и утвержден Комитетом стандартов, мер и измерительных приборов ГОСТ 3494-60. Согласно этому ГОСТу установлено пять типов аппаратов уборочных машин: Р-1 - для косилок; Р-2 - для жаток сноповязалок и жаток- самосбросок; Р-3 - для рядковых жаток и жаток самоходных комбайнов; Р-4 - для жаток грубостебельных культур; Р-5 - для жаток зернобобовых культур. Эти режущие аппараты отличаются конструкцией пальцевого бруса, пальцев, прижимов, пластин трения, а некоторые из них и сегментами. Сегменты выпускаются трех типов: С-1 - для косилок и жаток зернобобовых культур; С-2 - для жаток-самосбросок; С-3 - для жаток грубостебельных культур.
Стандартизация имеет положительные и отрицательные моменты. С одной, положительной, стороны, введение стандартов на изделие или его отдельные элементы позволяет обеспечить взаимозаменяемость, организовать массовое производство изделий на специализированных предприятиях, в результате чего изделия выше по качеству, надежнее в работе, дешевле в изготовлении и т.д. С другой стороны, стандарт ограничивает возможности усовершенствования изделий, так как вносимые изменения не должны выходить за пределы требований стандарта. Поэтому, чтобы стандарты не сдерживали технический прогресс, их периодически пересматривают и при необходимости вносят изменения.
В последние 2-3 десятилетия, как у нас, так и за рубежом, ведутся работы по созданию беспальцевого режущего аппарата с двумя активными ножами, движущимися навстречу друг другу. В этом аппарате пробег одинарный, ход ножа равен половине шага режущей части. Производительность этого аппарата на 10... 15% выше по сравнению с аппаратами нормального резания, при всех равных условиях. Кроме того, аппарат практически уравновешен, так как ножи движутся навстречу друг другу.
Повышению производительности машин всегда уделялось большое внимание. Ранее шли по пути увеличения ширины захвата жатки. Однако, такое направление не беспредельно. Повышается масса машины, требуется ровное поле, увеличивается неравномерность по длине срезанной части, увеличиваются потери урожая.
Уровень производства во всех развитых странах позволяет выпускать энергонасыщенные машины, повышение производительности которых осуществляется за счет увеличения скоростей движения. Сегментно-пальцевые режущие аппараты не позволяют в полной мере реализовать преимущества скоростной машины.
Исследованиями режущих аппаратов, в основном при повышенных скоростях движения, более тридцати лет занимался А.И. Бель [6]. Он исследовал жатки с режущим аппаратом нормального резания и тем же аппаратом, но с удлиненными сегментами, беспальцевым аппаратом со втречно-поступательным движением ножей. В этом направлении им проведены как теоретические, так и экспериментальные работы. Много внимания в его работах уделено исследованию комбинированного отгиба стеблей при работе различных типов жаток.
Уделено значительное место оптимизации рабочих скоростей из условия получения максимальной производительности с обеспечением качества работы и сохранением здоровья обслуживающего персонала. Им даны рекомендации по применению режущих аппаратов с удлиненными сегментами, по определениюоптимальных скоростей движения, по допустимому отклонению стеблей на высоте среза и по ряду других параметров.
Для определения уровня развития отечественного комбайностроения в различных регионах страны проводятся сравнительные полевые испытания наших и зарубежных комбайнов. Результаты испытаний показали, что комбайны дальнего зарубежья по качеству работы не имеют значительных преимуществ перед российскими машинами, но обладают более высокой надежностью и комфортабельностью [7].
Приводятся данные, что за последние десять лет (2005...2015) по оснащенности зерноуборочными комбайнами Россия отстала от других стран мира в 3...5 раз. Продолжительность уборочного периода почти в три раза превышает агротехнические сроки.
Как отмечалось выше, проведенные исследования по определению затрат энергии, необходимой для срезания растений с единицы площади, имеют большое значение при проектировании и расчетах привода режущего аппарата. Однако пока нет достоверных данных по изменению силы резания в зависимости от перемещения ножа, скорости движения жатки, урожайности. Поэтому при определении момента инерции маховика, при динамических и прочностных расчетах рекомендуется принимать силу резания постоянной в течение времени резания при каждом ходе ножа [5]. В то же время известно, что для таких расчетов необходимо иметь не среднее значение силы, а действительную ее характеристику.
Хочется отметить следующее. При проведении анализа литературных источников в какой-то области знаний обычно отмечаются положительные и отрицательные стороны работ в этой области и ученых, занимающихся этими проблемами. Все ученые и инженеры используют накопленные в течение столетий знания по математике, физике, теоретической механике, сопротивлению материалов и многим другим областям знаний. Аналитическая и дифференциальная геометрия, математический анализ и его разделы, операционное исчисление, теория вероятностей и математическая статистика, теория планирования эксперимента и многое другое - все это разработали и создали люди. О них вспоминают в своих исследованиях только специалисты в этой области. А нам, работающим в прикладных областях, кажется, что все эти методы и приемы упали к нам с неба.
Привод ножа у большинства уборочных машин осуществляется кривошипношатунным механизмом. У зерноуборочных комбайнов механизм обычно плоский, а у косилок пространственный. Применяются также механизмы с качающимися шайбами и качающимися вилками, качающимся валом, качающимся водилом и коленчатым водилом.
Машиностроение вообще и сельскохозяйственное в частности (в том числе уборочных машин), развивается по пути интенсификации производства. Рычажные механизмы привода режущего аппарата, как правило открытого типа, имеют существенный недостаток, главным образом связанный с ограниченной смазкой шарниров и их существенным износом. Вязкость масла (в основном применяется консистентная смазка) при повышении температуры уменьшается, частично выдавливается, загрязняя окружающую среду. Кроме того, по этой причине требуется периодическая дозапрессовка масла, что усложняет обслуживание машины.
По этой причине для привода режущего аппарата целесообразно применять компактные механизмы, размещенные в закрытом корпусе. Это пространственные механизмы качающейся шайбы и качающейся вилки. В применяемых в настоящее время механизмах качающейся шайбы, в шарнирах, в которых совершаются качательные движения шайбы, чаще всего применяются подшипники скольжения. При интенсивной работе и ограниченной теплоотдаче в закрытом корпусе, возможен повышенный нагрев, при котором теряются смазывающие свойства масла, что еще в большей степени увеличивает износ деталей и нагрев. Следовательно, необходимо разработать узел, в котором потери энергии на трение, а, следовательно, и на нагрев, будут существенно уменьшены.
Литература
- Титенок A.B. Совершенствование средств механизации сельскохозяйственного производства в России. - Брянск, изд-во БГСХА, 1999.
- Чебышев П.Л. Теория механизмов, известных по названиям параллелограммов. Изд-во А.Н. СССР, 1949.
- Горячкин В.П. Собрание сочинений. Том 1-3. - М.: Колос, 1965.
- Артоболевский И.И. Перспективные проблемы земледельческой механики. В книге "Академик И.И. Артоболевский" Воспоминания современников. Статьи И.И. Артоболевского./ М.: Знание, 1983.
- Кпенин Н.И., Сакун В.А. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. - М.: Колос, 1994.
- Бель А.И., Широков Н.Д. Ступенчатый режущий элемент жатки. Комплексная механизация возделывания сельскохозяйственных культур, сборник научных трудов./ М.: 1991.
- Милош Т. Оценка некоторых типов зерноуборочных комбайнов на базе научных исследований. // Тракторы и сельхозмашины, 2001 -№1.