Мы привыкли оценивать сельскохозяйственные тракторы по основным показателям, характеризующих его рабочие свойства – мощность двигателя и мощность ВОМ, тяговое усилие и удельный расход топлива.
Однако при выборе машины (особенно при принятии решений инвесторами или при формировании заявок на тендерные закупки) мало кто обращает внимание на то обстоятельство, как комфортно будет себя чувствовать оператор сельскохозяйственного агрегата при работе в поле и при транспортировке прицепов на большой скорости, а также насколько успешно будут функционировать системы управления спутниковой навигации, установленные в кабине трактора. Поэтому в настоящей публикации будут освещены некоторые особенности подвески кабин тракторов, материалы для которой любезно предоставлены немецкой компанией ZF.
Забота о водителе
Давно отмечено, что при выполнении сложных технологических операций требуется высокая концентрация внимания оператора сельскохозяйственного агрегата на значительное число факторов, которые напрямую влияют на качество выполнения работ. Поэтому все отвлекающие факторы, которые могут отвлекать водителя от выполнения его прямых обязанностей, влекут за собой снижение производительности труда, а также снижение качества выполнения работ.
Многочисленные исследования показали, что без использования специальных амортизирующих устройств кабины трактора значительные вибрации, которые передаются водителю от ходовых систем и рабочих элементов агрегатируемой машины, значительно повышается утомляемость человека и быстрее наступает его усталость. Это приводит к снижению скорости выполнения технологических операций, а также появлению непроизвольных ошибок, связанных с усталостью оператора. Различные системы подвески сидений хоть и позволяют снизить вибрационную нагрузку на оператора, однако общие колебания кабины трактора затрудняют управление им и требуют определенных навыков работы при выполнении технологических операций. Отсюда следует, что, практически все производители современных тракторов уделяют значительное внимание элементам подвески кабин, чтобы обеспечить не только комфортные условия для операторов, но и создать все необходимые условия высокой производительности железных коней независимо от сложности профиля поля или качества дорожного покрытия. Кроме этого, установка антенн спутниковой навигации на кабинах тракторов с жестким креплением к корпусу трактора при сильной вибрации не позволяет обеспечить достаточную точность заданной траектории движения из-за непрогнозируемых отклонений точки крепления антенны от центра машины.
Обзор демпфирующих систем кабины трактора
Для решения задач защиты кабины трактора от внешних источников вибраций с различными частотой и амплитудой компания ZF использует свой богатый опыт применения подобных систем в автомобильной промышленности, адаптируя их под специфику режимов работы сельскохозяйственных агрегатов. Идеальная картина работы демпфирующих систем подвески кабины трактора схематично показана на рис. 1, когда амортизирующие устройства в большей степени нивелируют колебания, связанные с движением по неровной поверхности поля.
При движении трактора по полю ходовая система передает на его корпус вибрацию от взаимодействия с профилем поверхности поля, которые передаются на кабину. Эти воздействия можно разложить на составляющие в трех плоскостях: колебания 1 в продольной Х, 2 в поперечной Y и 3 вертикальной Z плоскостях, а также вращение кабины относительно этих же плоскостей под углами α, β и δ (рис.2). Для гашения данных колебаний и вращений применяются различные системы демпфирования, которые зависят от назначения трактора, габаритных размеров кабины и конструктивных особенностей машин.
Самая простая система подвески использует в качестве демпферов сайлент-блоки или пружинные амортизаторы, с помощью которых осуществляется крепление кабины к корпусу трактора. Применение сайлент-блоков обеспечивает надежное гашение колебаний с незначительной амплитудой, просто в эксплуатации и обслуживании, а также не приводит к значительному удорожанию машины. Как правило, крепление кабины производится в четырех точках. Такие системы применяются на бюджетных тракторах малой мощности, которые работают на небольших скоростях. Пружинные амортизаторы обеспечивают более высокий комфорт для оператора за счет возможности гашения колебаний с большей амплитудой и более мягкого режима работы демпфера. Пружинные амортизаторы устанавливаются на кабинах с четырех-, трех- и двухточечной подвеской.
По мере повышения требований к условиям работы операторов энергетических средств сопровождалось разработкой более совершенных систем гашения колебаний с использованием энергии сжатого воздуха в качестве демпфера. Для этой цели компания ZF разработала пневматический амортизатор (рис. 3), в котором роль пружины выполнял сжатый воздух, нагнетаемый в герметичную камеру из эластичного материала. Степень жесткости данного амортизатора зависит от давления воздуха. Для регулировки давления воздуха в системе подвески кабины используется внешний клапан, который устанавливает жесткость амортизатора пропорционально отклонению рычага управления от среднего положения. В этом случае гашение колебаний производится только в одной плоскости в соответствии с местом установки рычага управления. Воздушные амортизаторы с внешним клапаном устанавливаются на двухточечной подвеске кабины трактора и требуют настройки длины и положения рычага управления.
При дальнейшем совершенствовании пневматических амортизаторов компания ZF разработала пневматический амортизатор для подвески кабин транспортных средств со встроенным клапаном управления – CALM амортизаторы (Cabin Air Levelling Module – пневматический модуль с регулировкой уровня кабины) (рис. 4). Система управления давлением воздуха CALM амортизатора установлена внутри герметичного корпуса и надежно защищена от внешних механических воздействий, от попадания воды, пыли и грязи. Главное преимущество CALM-амортизатора по сравнению с традиционным воздушным амортизатором заключается в том, что регулятор уровня кабины интегрирован в корпус амортизатора, исключая необходимость установки внешнего регулятора. Давление воздуха в герметичной камере регулируется клапаном, управляющий рычаг которого двигается в пазе фигурной канавки. Чем дальше от центрального положения смещается шток цилиндра амортизатора, тем большее давление нагнетается в воздушную камеру. Такие амортизаторы компактнее по сравнению с традиционными типами воздушных амортизаторов, не требуют дополнительных настроек системы управления и обеспечивают максимальный комфорт для операторов в самых сложных условиях работы. CALM амортизаторы могут устанавливаться на четырех-, трех- и двухточечной системах подвески, обеспечивая хорошее поглощение вибрации и колебаний корпуса трактора во всех трех плоскостях. Из-за своей компактности CALM-амортизатор не требует большого установочного пространства под кабиной, что в современных условиях является большим преимуществом для инженеров-конструкторов, проектирующих сельскохозяйственные тракторы.
Последней разработкой систем демпфирования кабин мобильных агрегатов компании ZF являются модули активной защиты серии CDC (Continuous Damping Control) с электомагнитным клапаном управления потоком жидкости (или воздуха в случае с пневматикой) внутри цилиндра (рис. 5). На сегодняшний момент модули CDC используются в пружинных и воздушных амортизаторах. Активная защита подразумевает управление электромагнитным клапаном от сигнала датчика трехмерного ускорения для обеспечения требуемого режима демпфирования, при котором обеспечивается наиболее комфортный уровень работы оператора. Такие модули активной защиты устанавливаются на двух- и четырехточечной подвесках кабины трактора и гасят колебания в вертикальной и поперечной плоскостях.
Благодарим концерн ZF за приглашение на деловой пресс-семинар, посвященный вопросам систем подвески в сельскохозяйственной технике, который состоялся 8-9 июля 2015 в г. Швайнфурт, Германия.
Рис. 1. Схематичное представление работы подвески кабины трактора
Рис. 2. Схема составляющих колебаний кабины трактора во время его движения
Рис. 3. Пневматический амортизатор с внешним клапаном регулировки уровня кабины
Рис. 4. Пневматический амортизатор с внутренним клапаном регулировки уровня кабины
Рис. 5. Модуль активной защиты CDC с электромагнитным клапаном управления
