ПРЕДИСЛОВИЕ  КАФЕДРЫ  ПРОГНОЗОВ

Сегодняшний  материал  открывает  не только  нового  автора, но  и новую  тему, которая  так  же  важна  как  все  затронутые  в  работе  рубрики  темы за  всю историю её  создания в 2004 году.

Прежде  чем  продолжить  представление,  хочу  сказать несколько  слов  о  той  концепции, в  рамках  которой  построены  все  материалы  этой  рубрики.

Я  никогда  не  обсуждал  этот вопрос  с  читателями, но  на  этой неделе  мне  попался в  Интернете  очень важный  официальный  документ, Приказ Президента РФ – 843.

В силу  краткости   и   общей  полезности  этого документа  я  приведу  его полностью.

***

Согласитесь,  что  публикация  всех материалов,  которые  так  или  иначе   направлены  на    реализацию  развития  уникальной   инженерной   культуры, которую  мы  объединяем  общим  словом ТРИЗ, а  именно:  её  прогнозной  силы -  абсолютно   соответствует  всем  восьми  выделенных Президентом  РФ  приоритетным направлениям.

Приоритетных направлений  выделено 8. Принцип этого  выделения опирается  на  стратегию  достижения  благополучия  страны. То, о чём пишет  КП,  позволяет   связывать  между  собой  любые  области  техники  и науки.

Людям  давно  нужен   специальный  научный  язык  для  работы  в  рамках  междисциплинарного подхода. Образно  можно  сказать,  что  прогнозные  методики   ЗРТС ТРИЗ  выполняют  функцию  информационной    транспортной  системы  для   высокоэффективного   переноса  технологий, о которых  пишет  наша  рубрика.

Вывод, который  я  хочу  сделать из сказанного,  прост: президентский  список  важен, а  направление  работы  КП   помогает  его  реализовать. Сожалею,  что  его  нет  в  этом  списке  в  виде  отдельной  строки.

Сегодняшняя  тема  выпуска  КП   из  приведённого  списка:  рациональное  природопользование. Вам  предложен  обзор  всех  технологий,  которые  направлены  на  то,  чтобы  уменьшать  давление  сельскохозяйственных  машин на  почву.

Сегодняшний  автор: Скуратович Александр Иванович. Сертифицированный  специалист  4ого  уровня  в  МАТРИЗ.

Ведущий специалист аналитической группы "ТРИЗ - профи". Консультант по ФСА и ТРИЗ. Участвовал в международном проекте "Изобретающая машина" в качестве ведущего разработчика компьютерных систем поддержки решения изобретательских задач "ИМ-ФСА" и "TechOptimizer" (продукты компаний IMLab, IMCorp), руководил группами баз данных, тестирования и качества. Выполнил более 30 консультационных проектов для промышленных компаний Беларуси, России, Чехии, Южной Кореи, Великобритании. Провел свыше 30 учебных семинаров по ТРИЗ и ФСА в этих странах. Имеет более 20 публикаций, автор более 20 патентов.

Приятного  чтения.
Ведущий  рубрики  КП,  Юрий  Даниловский.

Статья впервые опубликована в сборнике
«ТРИЗ-профи: Эффективные решения в сельском хозяйстве». – М.: Кушнир, 2006.

Давить на почву вредно

Последнее время в специальной литературе появился термин «машинная деградация почв». Он обозначает комплекс вредных последствий, вызываемых колесами, гусеницами и рабочими органами почвообрабатывающих машин. Один из наиболее грозных факторов деградации почв – переуплотнение.

Для того чтобы растения развивались нормально, требуется определенное соотношение между основными частями почвы: твердыми частицами, водой и воздухом. Оптимальной будет такая почва, в которой твердые частицы составляют 50%, вода – 30% и воздух – 20% (см. рис. 1А). Если почва переуплотнена (см. рис. 1Б), урожайность резко снижается. Это объясняется тем, что переуплотненная почва плохо впитывает влагу.

Сечения верхних слоев неуплотненной и переуплотненной почвы наглядно показывают, на сколько сокращается пространство для воздуха и воды под действием колес и гусениц сельскохозяйственных машин. Увеличение объема этого пространства оздоровливает почву [1].

«Исследования американских специалистов показали, что уплотнение почв в основных зерносеющих районах США снижает урожай хлебов на 8–13%.

Во многих странах, в том числе и СССР, были поставлены специальные опыты. Они показали, что уплотнение пылевато-иловатого суглинка трактором, колеса которого давят на землю с силой 2 кг/см²... снижает урожайность картофеля более чем на 50%.

Имеются данные, что урожай заметно снижается даже в том случае, когда объемный вес земли увеличивается всего на 0,01 г/см³» [2].

«Сегодня нужна техника, основанная на новых научных принципах. Традиционная техника –  это 300 кг металла на 1 га пашни. Она ведет к переуплотнению и деградации почвы. Нужны: реактивные плуги, почволюбивые ходовые системы, вибрационные рыхлители, роторные комбайны, пневмогусеничные тракторы, плоскорезы вместо плугов. В Канаде плуги не применяются с 1963 года. В Голландии применяют мостовое земледелие» [3].

Чтобы сберечь и восстановить плодородие почвы, необходимо научиться выращивать продукты питания без ее разрушения и уплотнения.

В статье дан краткий обзор известных способов решения этой задачи и показаны тенденции развития машин и технологий, позволяющие предсказать новые способы ее решения.   

Как обрабатывать почву без ее уплотнения?

Почву разрушают и уплотняют колеса и гусеницы сельскохозяйственных машин: тракторов, комбайнов, грузовиков, сеялок, косилок и т. п. Всю эту технику можно представить как систему для обработки почвы и растений, состоящую из двух частей: орудия обработки (орудие) и машины, которые перемещают эти орудия («тягач») (см. рис. 2).

Главная полезная функция «тягача» – перемещать орудие по полю. Нежелательный эффект, появляющийся при этом – разрушение и уплотнение почвы.

Главная полезная функция орудия – обрабатывать почву, растение. Нежелательный эффект, появляющийся при этом – разрушение и уплотнение почвы.

Главная функция системы «тягач» + орудие – обрабатывать почву и растения в соответствии с заданной технологией выращивания сельскохозяйственной культуры.

В соответствии с законами развития технических систем, описанными в теории решения изобретательских задач (ТРИЗ), основными тенденциями развития являются: постоянный рост параметров главной полезной функции системы и уменьшение факторов расплаты. Факторами расплаты являются разного рода затраты, связанные с выполнением функций системы и нежелательные эффекты, которые при этом проявляются [4, 5].

Рассмотрим эти тенденции для системы обработки почвы и растений «тягач» + орудие.

Например, для посевного агрегата рост параметров его главной полезной функции выражается в постоянном росте количества секций у сеялки и увеличении ширины захвата – 4, 6, 8, 12, 18 метров.

Постоянное снижение факторов расплаты, связанных с выполнением функций, проявляется, например, в стремлении снизить вредное уплотняющее действие «тягача» и колес орудий на почву.

Стремление разработчиков сельскохозяйственной техники следовать этим тенденциям приводит к противоречивым требованиям. Так, например, чтобы «тягач» мог тянуть широкозахватную сеялку, он должен быть мощным и иметь хорошее сцепление с почвой. Но мощный «тягач» больше весит, а значит сильнее разрушает структуру почвы и сильно уплотняет ее. Чтобы этого избежать, он должен быть легким. Конструктор сталкивается с необходимостью преодолеть противоречие – «тягач» должен быть тяжелым и легким.

Как преодолеть это противоречие? Какие способы предлагались и могут быть предложены?

СПОСОБ 1: МЕНЬШЕ ДАВИТЬ НА ПОЧВУ

Какие существуют пути уменьшения давления на почву?

Самыми очевидными способами являются:

• уменьшение веса машины;
• 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).

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» на с. 80 (см. http://www.triz-profi.com/magazin2.html). 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.

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.

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 уплотняется;
• 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].

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).

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.

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). 

Аналогичные результаты были получены на сравнительных испытаниях трактора ДТ-75Б с металлической гусеницей и трактора «Руслан» с пневматической гусеницей (см. рис. 9).

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 тягово-сцепных характеристик и снижения металлоемкости движителя и машины в целом [13, с. 104].

Однако и у пневматической гусеницы есть недостатки: 

• по сравнению с металлической гусеницей:

• возможность проколов;
• низкие тягововые качества на скользких покрытиях;
• чувствительность к низким температурам воздуха;
• низкая ремонтопригодность;
• по сравнению с автомобильным колесом:
• более сложная конструкция движителя;
• высокие потери мощности при перемещении по твердым дорогам;
• 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].

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 и на стоянке;
• арочная шина – малое давление на грунт, нет сдавливания грунта между колесами.

Линия №2. «Увеличение степени пустотности» (см. рис. 11):

• одна полость;
• несколько больших полостей;
• полые траки гусеницы;
• пенонаполненные траки – гусеница не боится проколов;
• полости траков заполнены веществом, изменяющим их твердость в зависимости от состояния почвы.

Продолжение >>

В тексте сохранены авторская орфография и пунктуация.