Тракторы XXI века

УДК 629.366

Тракторы XXI века: состояние и перспективы / С. Н. Поддубко [и др.]. – 

Минск : Беларуская навука, 2019. – 207 с. – ISBN 978-985-08-2399-1.

Книга посвящена исследованиям конструкций тракторов и эксплуатационных свойств 

машинно-тракторных агрегатов для перспективных земледельческих технологий.

Проведен анализ силовых элементов современных гидромеханических и электромехани
ческих трансмиссий тракторов, современных фрикционных механизмов зарубежных и отечественных тракторов, проведены исследования конструктивных схем электропривода машинно-тракторных агрегатов, электропривода активных рабочих органов сельхозмашин, 
выполняющих функции точного земледелия. Выполнен анализ современных механизмов 
управления сельхозмашинами, совместимости их с технологическими средствами спутниковой навигации, возможностей электропривода в управлении сельхозмашинами, обоснованы 
требования к техническим средствам электропривода механизмов управления при точном 
земледелии.

Предназначена для научных и инженерно-технических работников, занимающихся воп
росами исследования и проектирования тракторов и машинно-тракторных агрегатов. Может 
быть использована студентами технических вузов соответствующих специальностей.

Ил. 129. Табл. 25. Библиогр.: 112 назв.

А в т о р ы:

С. Н. Поддубко, П. А. Амельченко, А. Г. Стасилевич, П. А. Витязь, Д. А. Дубовик,  

А. В. Ващула, И. Н. Жуковский, А. В. Ключников

Р е ц е н з е н т ы:

доктор технических наук, профессор А. Г. Савельев;

доктор технических наук, профессор А. Н. Орда

ISBN 978-985-08-2399-1
© Объединенный институт машиностроения  
    НАН Беларуси, 2019
© Оформление. РУП «Издательский дом 
    «Беларуская навука», 2019

ВВЕДЕНИЕ

Прошедший ХХ век был веком машинного моторизированного земледелия, основным тяговым и тягово-приводным средством которого были гусеничные и колесные тракторы с двигателями внутреннего сгорания. За свою 
более чем столетнюю историю тракторы непрерывно совершенствовались  
и к настоящему времени превратились в сложные автоматизированные тягово-приводные машины, способные работать в составе широкозахватных, многооперационных, комбинированных сельскохозяйственных агрегатов.
Тракторы в настоящий момент выполняют основной объем энергоемких 
земледельческих операций в растениеводстве в течении всего сельскохозяй- 
ственного года, а также основной объем внутрихозяйственных транспортных 
работ. Они явились движущей силой научно-технического прогресса не только в земледелии, но и в целом в сельском хозяйстве. Это позволило разрешить 
проблему обеспечения человечества необходимыми продуктами питания  
и преодолеть вековые зависимости продуктивности сельского хозяйства от 
неблагоприятных условий, одновременно снижая трудоемкость земледелия  
и высвобождая рабочую силу для использования ее в других отраслях.
Машинное земледелие вместе с несомненными достижениями породило 

немало взаимосвязанных экологических, экономических и социальных проблем, нуждающихся в первоочередном разрешении:
загрязнение почвы окружающей среды вредными выбросами отработанных газов ДВС до такой степени, что ставит под сомнение дальнейшее использование ДВС на сельскохозяйственной технике;
повышение энергетической эффективности земледельческих операций  
и снижение себестоимости продуктов растениеводства;
обеспечение безопасной жизнедеятельности как работников сельскохозяйственного производства, так и потребителей сельхозпродукции;
уплотнение почвы и подпочвенного слоя движителями, загрязнение почвы 
продуктами износа резинометаллических элементов движителей, загрязнение 
нефтепродуктами при неисправности и аварии машин на поле; 
адаптация тракторов и МТА к технологиям точного земледелия и спутниковой навигации;
сложность и металлоемкость механических приводов отбора мощности  
и ее приема для привода активных рабочих органов сельхозмашин.

В монографии на основе анализа недостатков традиционных тракторов, 

перспективных эксплуатационных свойств тракторов, различных типов их 
силовых передач и перспективных тяговых электроприводов определено основное направление совершенствования тракторов в I в. В I в. ожидаетI в. В I в. ожидает в. В I в. ожидаетI в. ожидает в. ожидается замена всех силовых приводов сельскохозяйственных тракторов и МТА  
регулируемым электроприводом, а также адаптация тракторов к технологиям 
точного земледелия и спутниковой навигации.

Тракторы I в. – это электроприводные тракторы без силовых мускульI в. – это электроприводные тракторы без силовых мускуль в. – это электроприводные тракторы без силовых мускульных приводов, гидроприводов и без ДВС на минеральном топливе.
Авторы выражают благодарность сотруднику НИИ порошковой металлургии А. В. Лешку за представление материалов и участие в написании гл. 4.

Глава 1

ПРОТИВОРЕЧИЯ И НЕДОСТАТКИ ТРАДИЦИОННЫХ  
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ТРАКТОРОВ

Традиционные сельскохозяйственные тракторы (СХТ) конструктивно сфор
мировались в середине прошлого века и с последующим совершенствованием 
их конструкции дошли до наших дней. Основные их нынешние особенности – 
дизельный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), ступенчатые механические трансмиссии, механические приводы валов отбора мощности (ВОМ), ходовые системы колесных тракторов с пневматическими шинами и гусеничных 
с металлическими гусеницами, раздельноагрегатные передние и задние гидронавесные системы (ГНС), командное управление с локальными автоматизированными системами.
За всю историю эксплуатации эти тракторы не только обеспечили бурное 
развитие земледелия, но и накопили серьезные недостатки и противоречия. 
Среди них в первоочередном разрешении нуждаются ступенчатое регулирование скорости движения трактора, низкая, не более 85–90 %, загрузка тракторных ДВС, высокий удельный расход топлива и вредные выбросы отработанных газов (ОГ) ДВС, повышенные радиусы поворота, буксование и удельные давления колесных ходовых систем на почве, высокая динамическая 
нагруженность силовых агрегатов, сложность механических приводов ВОМ  
и их управления, совершенствование тормозных систем, низкая приспособ- 
ляемость тракторов к комплексной автоматизации и технологиям точного 
земледелия, типизация и классификация сельскохозяйственных тракторов. 
Перечисленные недостатки непосредственно относятся к тяговым и тяговоприводным свойствам трактора, его работоспособности, надежности и эффективности. Рассмотрим более подробно указанные недостатки.
Ступенчатое регулирование скорости движения традиционных тракторов 
осуществляется механическими трансмиссиями и является средством, компенсирующим основной недостаток тракторных ДВС – низкие диапазоны скоростного и силового регулирования. Эти диапазоны даже у ДВС современных 
тракторов не превышают 28–33 % от номинальной частоты вращения их валов. Относительную величину диапазона скоростного регулирования таких 
двигателей можно оценить отношением номинальной частоты вращения nн 
к минимальной nmin на рабочем участке внешней скоростной характеристики 
(рис. 1), т. е.

Рис. 1. Внешняя скоростная характеристика дизельного двигателя

. 
(1)

Этот диапазон как минимум на порядок ниже необходимого относительного диапазона скоростного регулирования современного колесного трактора, 
равного

(2)

где Vmax и Vmin – максимальная и минимальная скорости движения трактора.
Улучшение скоростных и тяговых качеств таких тракторов осуществлялось как совершенствованием ДВС, так и совершенствованием трансмиссий.
У ДВС повышались номинальная мощность Nн и номинальная частота 
вращения вала nн, расширялись диапазоны скоростного Дn и силового Дм регулирования, а по зависимости мощности от частоты вращения вала Nд(nд) они 
приближались к двигателям постоянной мощности.
Совершенствование трансмиссий осуществлялось увеличением максимальной скорости движения Vmax и количества ступеней переднего n и заднего 
nз хода, совершенствованием переключения передач (переключение на ходу, 
переключение под нагрузкой). Разрабатывались новые типы трансмиссий – 
гидромеханические с гидродинамическими и гидрообъемными передачами 
[1], гидромеханические двухпоточные и электромеханические постоянного 
тока [2]. Эти трансмиссии существенно расширяли диапазон бесступенчатого 
регулирования, однако для достижения необходимого диапазона скоростного 
регулирования трактора требовались две-три переключаемые ступени в трансмиссии. Из перечисленных новых типов трансмиссий только двухпоточные 

гидромеханические были внедрены на СХТ зарубежных фирм [3]. Остальные 
типы новых трансмиссий не вышли за пределы опытных образцов.
На улучшение скоростных качеств тракторов оказали большее влияние 
мероприятия по совершенствованию трансмиссий. К настоящему времени 
тракторные трансмиссии превратились в сложные механические агрегаты  
с большим количеством зубчатых колес, валов, зубчатых и фрикционных 
муфт. Они в разы превышают объем и массу двигателей. При передаче мощности от двигателя к движителям на отдельных рабочих передачах кроме конической главной и планетарной конечной передач работают до 5–6 цилиндрических зацеплений, а потери в трансмиссии достигают 12–16 %, что существенно снижает тяговый КПД трактора.
Механические трансмиссии и их ступенчатое регулирование ограничивают верхний предел загрузки ДВС, а частое переключение ступеней делает работу трактора более продолжительной на переходных режимах, что увеличивает динамическую нагруженность силовых передач, повышает удельный 
расход топлива и вредные выбросы ОГ.
На каждой включенной ступени механической трансмиссии ДВС может 
эффективно работать в границах рабочего участка его внешней скоростной 
характеристики от nн до nmin (рис. 1), в пределах которой мощность изменяется 
от Nн до Nmin, а при максимальном моменте Mmax они резко снижают мощность 
(на 5–10 %). При этом теоретическая средняя загрузка ДВС по мощности на 
каждой ступени будет всегда ниже номинальной, т. е. Neср < Nн.
Механическая трансмиссия жестко соединяет ДВС с движителями и преобразует тяговое сопротивление трактора в приведенный к валу двигателя 
момент сопротивления MC, с учетом передаточной функции трансмиссии  
и колебательного характера тягового сопротивления. Известно [4], что показатели работы ДВС (мощность Ne, крутящий момент M, частота вращения вала 
n и удельный расход топлива ge) напрямую зависят от характера проведенного 
к его валу момента сопротивления MC, а именно чем выше коэффициент вариации крутящего момента νM, тем хуже показатели ДВС. Экспериментально установлено, что для отечественного двигателя Д-240 при изменении νM с 10 до 
30 % коэффициент использования номинального момента εМ снижается с 0,966 
до 0,884. Аналогично изменяется и коэффициент использования номинальной 
мощности εN. Из приведенного видно, что в эксплуатации, в виду случайного 
характера тягового сопротивления, механическая ступенчатая трансмиссия 
не может обеспечить номинальную загрузку ДВС. С уверенностью можно 
констатировать, что она на тракторе завершает свой жизненный цикл и пришло время искать ей достойную замену [1].
Длительное (более 100 лет) применение на сельскохозяйственных тракторах ДВС привело к загрязнению почвы вредными компонентами ОГ до такой 
степени, что возникла потребность их ограничения и контроля в зонах мировых рынков сбыта тракторов, в том числе введения законодательных нацио

нальных и международных норм [5, 6]. Однако реализация этих норм не останавливает дальнейшее загрязнение почвы, а лишь замедляет его темп. Вредное воздействие ДВС на окружающую среду сегодня становится весьма серьез- 
ной экологической проблемой.
Тракторные двигатели выбрасывают в окружающую среду ряд вредных 
химических соединений – оксид углерода СО, углеводороды СН, оксиды азота NOX, углерод С (сажа), диоксид серы SO2, соединения свинца, альдегиды 
CnH2nO и канцерогенные полициклические ароматические углеводороды, сре и канцерогенные полициклические ароматические углеводороды, среди которых наиболее опасен бензапирен C20H12. Для последнего среднесуточная предельно допустимая концентрация в атмосфере населенных пунктов 
составляет 0,001 мкг/м3.
Современная наука и техника пока не располагает эффективными сред- 
ствами по замене на сельскохозяйственной технике двигателей на минеральном топливе агрофильными силовыми установками, но имеет возможность 
заметно снизить вредное воздействие ДВС на окружающую среду. Рассматриваются несколько возможных путей снижения вредных выбросов ОГ и расхода минерального топлива. Первый – перевод ДВС на газовое топливо, на природный газ или водород. Работы по переводу на природный газ уже ведутся 
многими фирмами, в том числе ОАО «МТЗ» [7]. Перевод ДВС на водород находится в стадии научных исследований [8, 9].
Второй путь снижения вредных выбросов ОГ и расхода топлива – исключение ДВС из скоростного регулирования трактора и перевод его на стационарный скоростной режим работы в зоне минимального расхода топлива (рис. 1). 
Наилучшим образом это обеспечивается применением в силовой передаче 
полнопоточной электромеханической передачи по схеме «ДВС – электрогенератор – силовой преобразователь электротока – тяговый электродвигатель» 
[10]. Возможно объединение преимуществ первого и второго – газовый ДВС  
и электромеханическая передача. Кардинальным решением этой проблемы 
может стать устранение ДВС из конструкции трактора и замена его электрохимическим генератором (ЭХГ). Заслуживает внимания и обеспечение элект-
роэнергией трактора резонансной системой электроснабжения [11–13].
Существенный недостаток традиционных колесных тракторов на почве – 
повышенные радиус поворота, буксование ведущих колес и переуплотнение 
пахотного слоя. 
На большинстве колесных тракторов применяется пассивный поворот, 
когда поворачивающая трактор сила формируется боковой реакцией почвы на 
повернутые управляющие колеса. Однако на почве, в виду ее низкой несущей 
способности и высокого сопротивления движению, боковой силы недостаточно для поворота и у трактора появляется «бульдозерный» эффект, когда трактор стремится сохранить прямолинейное движение. Для устранения этого недостатка наиболее приемлемое решение – применение активного поворота, 
когда поворачивающая сила формируется разностью скоростей ведущих колес наружного и внутреннего бортов колес. Это возможно только при обеспе

чении раздельного привода ведущих колес бортов, управляемых по необходимому алгоритму. На колесных тракторах с механическими трансмиссиями 
реализовать это практически невозможно.
Буксование ведущих колес на почве зависит не только от величины коэффициента сцепления и тягового сопротивления, но и от характера крутящего 
момента на ведущих колесах. Чем выше степень неравномерности крутящего 
момента, тем больше буксование. Так, на опытном колесном тракторе кл. 0,9 ЛТЗ 
с бесступенчатой объемной гидромеханической трансмиссией буксование ведущих колес на стерне оказалось в 1,5 раза ниже, чем у аналогичного трактора с механической ступенчатой трансмиссией [14].
Понизить давление на почву можно только за счет увеличения пятна контакта, т. е. за счет увеличения деформации пневмошины. Для регулирования 
пятна контакта в тяговых машинах используется регулирование давления воздуха в пневмошине. На сельскохозяйственных тракторах регулирование давления в пневмошинах широкого применения еще не нашло. Очевидно, что 
пневмошина и колесо в нынешнем их исполнении также завершают свой жизненный цикл. В зарубежной шинной промышленности для тягово-транспортных средств появляются варианты безвоздушных шин с упругими элементами, соединяющими шину со ступицей. В отдельных случаях регулируется 
жесткость этих элементов [15].
Современные тракторы большую часть времени работают с комбинированными многооперационными агрегатами, в состав которых входят и сельхозмашины с активными рабочими органами. Привод последних осуществляется от тракторного двигателя через системы отборов мощности: механическую (ВОМ: задний, передний, боковой) и гидравлическую (ГСОМ).
Задний ВОМ на тракторе двухфункциональный, переключаемый или  
с прямым приводом от ДВС (независимый), или с приводом от выходного звена коробки передач (синхронный), с двухскоростным редуктором на выходе 
из трансмиссии трактора. ГСОМ функционирует по схеме «ДВС – гидронасос – 
гидромагистраль – гидромотор сельхозмашины». Управление ВОМ осуществляется фрикционными элементами (муфта, тормоз), ГСОМ – гидрораспределителем. Обе системы отбора мощности довольно сложные как по своим схемам, так и по их управлению.
В условиях точного земледелия управление отборами мощности и рабочими органами сельхозмашин должно быть согласовано как с координатами 
движения трактора на гоне, так и с координатами зон плодородия почвы обрабатываемого участка поля.
Расширение скоростного ряда сельскохозяйственных тракторов, верхний 
предел которого у колесных тракторов уже достигает скорости 40 км/ч, потребовал совершенствования тормозной системы как тормозных механизмов, 
так и их приводов. В тормозных механизмах осуществлен переход с сухих пар 
трения на «мокрые», а в приводах – с механических приводов на гидростатические. В трансмиссии предусмотрено при торможении автоматическое под

ключение передних колес. Однако всего этого становится недостаточно при 
достижении скорости трактора 40 км/ч и выше, а такая скорость колесному 
трактору крайне необходима. Колесные тракторы до 50 % времени работают 
на транспортных работах как внутри хозяйства, так и на межхозяйственных 
перевозках по дорогам общего пользования. Повышение максимальной скорости движения – это резерв повышения производительности сельскохозяй- 
ственных перевозок.
При скорости движения сельскохозяйственных тракторов 30 км/ч и выше 
на тракторы распространяются требования безопасности движения, как на 
транспортное средство: минимальная тормозная сила Pm min = 0,55 mтg, минимальное замедление a = 0,55g (где mт – масса трактора, g – ускорение от силы 
тяжести) [16]. 
Трактор в отличие от автомобиля имеет высокую вертикальную координату центра масс, примерно равную третьей части продольной базы (hцт=0,33L). 
При торможении это приводит к существенному перераспределению вертикальной нагрузки с задних на передние колеса. Так, при торможении трактора 
БЕЛАРУС-3022 с замедлением 0,5g перераспределение вертикальной нагрузки приведет к тому, что нагрузка на передние колеса будет G1= 0,615mтg, на 
задние – G2 = 0,385mтg, вместо статической G1ст= 0,45mтg и G2ст= 0,55mтg. При 
этом необходимо, чтобы тормозные силы на передние и задние колеса распределились пропорционально, т. е. Pm1= 0,3075mэg и Pm2= 0,1925mэg.
По мере увеличения максимальной скорости трактора все больше кинетической энергии при торможении приходится рассеивать в окружающую среду, 
а это безвозвратные потери топлива. У современных транспортных машин  
с тяговым электроприводом используется электроторможение, когда большая 
часть кинетической энергии при торможении преобразуется в электрическую 
и аккумулируется в бортовом накопителе электроэнергии (БНЭ).
Особую озабоченность вызывает низкая приспособляемость традиционных тракторов к комплексной автоматизации МТА и технологиям точного 
земледелия. Автоматизацией МТА в нашей стране начали заниматься со средины прошлого века. Однако по ряду причин успех достигнут только в локальной автоматизации управления отдельными агрегатами трактора – ДВС, 
трансмиссии, ГНС и курсового управления. Комплексной автоматизации МТА 
и земледелия в целом реализовать не удалось.
Трудность решения этих вопросов состояла в том, что средства автоматизации, вырабатывающие команды на управление (командоаппараты), работают в среде электроэнергии, а объекты автоматизации (механические и гидравлические передачи) – в среде механической энергии. Для их автоматизации 
потребовались межэнергетические преобразователи, превращающие электрический сигнал командоаппарата в конкретное изменение механического или 
гидравлического силового потока. Так, при автоматическом или полуавтоматическом переключении передач ступенчатой механической трансмиссии, 
электрический сигнал командоаппарата по заданному алгоритму поступает