Як поставити новий двигун на старий комбайн

Останніми роками аграрне виробництво України активно переоснащується закордонними тракторами, комбайнами та іншою високопродуктивною сільськогосподарською технікою. Аграріям подобається висока якість виготовлення, надійність і продуктивність імпортної техніки. Крім того, комфортні умови праці на ній гарантують тривалу роботу оператора без перенапруження і втоми.

Нова якісна техніка працює зазвичай без відмов. Однак, як відомо, немає нічого вічного. Всяка машина, навіть найбільш досконала, із часом спрацьовується. На жаль, закладений ресурс машин значно скорочується внаслідок використання неякісних пально-мастильних матеріалів, грубих помилок під час експлуатації та непрофесійного технічного обслуговування.

Одним із найбільш навантажених елементів мобільних машин є двигуни, і тому відмов у їхній роботі спостерігається значно більше, ніж у функціонуванні інших агрегатів. Сучасна техніка досить складна, а відповідно, вартість капітального ремонту двигунів надто висока. От і постає питання: ремонтувати двигун чи встановити альтернативний, причому за меншою ціною, ніж обійдеться капітальний ремонт оригінального?

На тракторах закордонного виробництва встановити альтернативний двигун досить проблематично, оскіль­ки, як правило, конструкція тракторів виконана за безрамною схемою, де під­дон картера двигуна є несучим елементом остова.

Для комбайнів і автомобілів це завдання цілком реальне. Звісно, якщо переобладнання виконали професіонали, які мають відповідні сертифікати на модернізацію техніки. В такому разі переобладнані машини не поступаються оригінальним, а в деяких випадках за техніко-експлуатаційними показниками навіть перевищують їх. Розглянемо детальніше характерні параметри модернізації комбайнів установленням альтернативних двигунів.

У цілому зернозбиральний комбайн — досить складна сільськогосподарська машина, що об’єднує низку взаємозв’язаних вузлів і агрегатів. Для отримання найвищих показників конструктори оптимізували сумісну роботу жатки з молотильно-сепарувальною частиною із загальним приводом усіх механізмів цих систем від потужного двигуна.

Кожна технологічна операція, що відбувається в комбайні, потребує відповідних витрат енергії. А, крім цього, ще ж треба переміщувати полем усю цю «громадину», вага якої становить понад 10 т! І що більша продуктивність комбайна, то більша потужність двигуна потрібна для приведення в дію його систем і механізмів. Для забезпечення якісного виконання технологічного процесу двигун комбайна повинен мати відповідні характеристики, основними з яких є: потужність, достатня для виконання технологічної операції за мінімальної витрати пального; необхідний запас крутного моменту; висока надійність; простота в обслуговуванні та ремонті.

Відомо, що за будь-якого технічного оснащення для ефективної роботи комбайна потрібно забезпечити оптимальне завантаження всіх його систем, насамперед молотарки. Під час роботи комбайна — у режимі чи прямого комбайнування, чи на підбиранні валків — навантаження в системах, а отже й на двигун, постійно змінюються. А це зумовлює зміну частоти обертання його колінчастого вала та власне робочих органів комбайна. І якщо, наприклад, на якість роботи різального апарата жатки ця зміна суттєво не впливає, то для молотильно-сепарувального пристрою навіть незначне відхилення частоти обертання від заданого значення призводить до небажаних змін, унаслідок чого погіршуються техніко-економічні показники комбайна в цілому.

Кожен досвідчений комбайнер знає, що якість обмолоту, можливість подрібнення зерна в молотильному пристрої, чистота зерна та втрати плюсклого зерна безпосередньо залежать насамперед від частоти обертання молотильного барабана та вентилятора системи очищення. Є відповідні таблиці регулювання, де вказані оптимальні параметри, що забезпечать низку технологічних умови і щоб зерно з колоска повністю вимолотити без його подрібнення; і щоб повітряним потоком у решетах видуло назовні полову, а зерно, навіть плюскле, не було втрачене.

Точне регулювання залежить від багатьох факторів. І, звісно, вміння дотримуватись заданих діапазонів роботи значно залежить від майстерності та досвіду самого комбайнера. Однак установлені регулювання відповідають номінальній частоті обертання колінчастого вала двигуна. А от коли навантаження збільшується й оберти двигуна та відповідних механізмів зменшуються, то одразу спостерігається підвищення втрат. Для уникнення недомолоту інколи встановлюють підвищену частоту обертання барабана, однак водночас із цим збільшуються втрати з подрібненим зерном.

Таким чином, можна зробити висновок, що надійність технологічних процесів зернозбирального комбайна передусім залежить від стабільності обертання колінчастого вала двигуна незалежно від навантаження в експлуатаційних діапазонах його роботи. Для забезпечення цієї умови потрібно, щоб двигун мав потужність, що відповідає максимальній пропускній спроможності комбайна, та значний запас крутного моменту для легкого переборювання перевантажень без значного зниження частоти обертання.

І не випадково на сучасних закордонних комбайнах установлюють потужні двигуни, що мають великий крутний момент, найбільша величина якого зміщена до менших обертів. Така характеристика дизеля забезпечує стабільність частоти обертання колінчастого вала за зміни навантаження. Навіть у разі перевантажень частота обертання двигуна практично не зменшується, оскільки при цьому підвищується крутний момент.

За зменшення потужності двигуна нижче від заводського значення, яке конструкційно закладає виробник (що можливо внаслідок загального спрацювання та порушення оптимальних регулювань), зменшується продуктивність, погіршується якість технологічного процесу, збільшується втрата зерна та значно зростають витрати пально-мастильних матеріалів. Непоодинокі випадки, коли реальна потужність двигуна комбайна була на 30–40 кВт нижча за номінальне її значення.

Тож яке рішення прийняти в разі виникнення такої ситуації: капітально ремонтувати двигун, замінити на новий оригінальний чи встановити альтернативний? Як компромісний варіант відновлення закладених у конструкцію технічних характеристик комбайна є його модернізація з установленням нового двигуна. Однак під час модернізації виникає бажання не тільки відновити заводські показники комбайна, а й поліпшити їх. Тому доцільно встановити потужний економічний двигун, що має великий запас крутного моменту. Крім того, визначальними факторами є його господарсько-економічні якості: щоб двигун був недорогий в експлуатації та простий у ремонті й обслуговуванні.

Сьогодні на території України пра­цюють підприємства, які займаються переоснащенням імпортної техніки. Варіантів установлення альтернативного двигуна насправді небагато: мінський Д-262.2S2 та ярославський ЯМЗ-238АК. Обидва мають відповідні характеристики й адаптовані до встановлення на зернозбиральні комбайни. Проведемо їхній порівняльний аналіз, беручи до уваги основні споживчі показники за вдосконалення кращих комбайнів світового рівня.

Потужність

Якщо проаналізувати конструкцію закордонних самохідних зернозбиральних комбайнів, то легко помітити, що всі вони комплектуються потужними двигунами, які найкраще придатні для роботи у важких умовах із постійно змінним навантаженням.

На ринку комбайнів України пропонують машини з різними типами і схемами молотильних пристроїв: однобарабанні («Ростсільмаш», John Deere), багатобарабанні (New Holland, Massey Ferguson), роторні (Case, John Deere) та гібридні (Claas). Кожен із виробників наводить власні аргументи на підтримку обраної схеми обмолоту з акцентом на відповідні переваги.

Важливо зазначити, що для визначення переваг тієї чи іншої моделі комбайна потрібно орієнтуватися не лише на його ціну та окремі техніко-економічні характеристики, а й на вартість намолоту тонни врожаю. Адже в останньому показнику знаходить відображення ціла низка цінових складників: вартість комбайна, експлуатаційні витрати, вартість запасних частин. І загалом — надійність агрегату.

Основним показником зернозбирального комбайна є його пропускна здатність, що є найбільш інтегральною технічною характеристикою, яка дає змогу оцінити технічний рівень конструкції машини та тип молотильно-сепарувального пристрою. Саме тип цього важливого технічного вузла визначає вимоги щодо потужності двигуна, оскільки в класичній схемі молотарки оптимальна енергонасиченість для забезпечення номінальної продуктивності за мінімального рівня зернових втрат становить близько 27 к. с. для обмолоту одного кілограма маси за одну секунду, в гібридній схемі — 30, у роторній — 32 к. с.

Таким чином, якщо пропускну здат­ність комбайна, виражену в кілограмах маси, яку він може обмолотити за одну секунду, помножити на 27 чи 32 (залежно від типу молотильно-сепарувального пристрою), то отримаємо значення потужності двигуна в кінських силах, потрібну для реалізації заданої продуктивності.

Використання будь-якої машини в технічному процесі обґрунтовується технологічною доцільністю та економічною ефективністю. За недостатньої потужності двигуна продуктивність комбайна не відповідатиме заданій та не забезпечуватиме якісне виконання технологічного процесу.

Під час вибору моделі двигуна насамперед слід звертати увагу не просто на потужність, а на збалансованість отриманої потужності та потреби потужності всіх робочих агрегатів і вузлів комбайна (тип молотильно-сепарувального пристрою, ширина захвату жатки, ємність бункера тощо), бо саме вони значною мірою визначатимуть рівень витрат пального під час комбайнування.

Потужність ярославського двигуна ЯМЗ-238АК — 240 к. с., мінського Д-262.2S2 — 250 к. с. Так, наприклад, за встановлення цих двигунів на комбайн «Дон» із класичною схемою молотарки, використовуючи наведену вище залежність, отримаємо пропускну здатність комбайна, виражену в кілограмах маси за секунду: з ЯМЗ-238АК — 8,89; із Д-262.2S2 — 9,26 кг/с. На перший погляд, різниця невелика. Однак іноді саме цієї «прибавки» й не вистачає для стабільної роботи комбайна, особливо у важких умовах.

Але, ясна річ, за все треба платити. Встановлюючи новий двигун на комбайн, ми, безумовно, платимо за його здатність виконувати технологічний процес обмолоту й сепарації, тобто за потужність.

Крутний момент

Навантаження на робочі органи комбайна залежить від багатьох факторів: перш за все — від рівня врожайності, співвідношення маси соломи й зерна, густоти та висоти хлібостою, рельєфу поля, вологості ґрунту і зерна та ще від багатьох чинників, що постій­но змінюються і значно варіюють навіть у межах поля. Але для якісного обмолоту колосків, сепарації та очищення зерна з мінімальними втратами відповідні механізми комбайна повинні забезпечувати оптимальну робочу швидкість (частоту обертання). Тому комбайновий двигун повинен мати не тільки достатню потужність, а й значний запас крутного моменту для стабільного забезпечення потрібних обертів приводу робочих органів молотильно-сепарувального пристрою незалежно від рівня завантаження. Саме для реалізації заданих характеристик для комбайнів використовують спеці­альні двигуни, що працюють на ста­більних обертах у значному діапазоні навантажень та в умовах стрибкоподібного характеру їхньої зміни, що дає можливість комбайну успішно та продуктивно працювати з важкими типами культур, легко підніматися на схили полів та працювати у важких польових умовах.

Відомо, що крутний момент є найважливішим динамічним показником двигуна, який характеризує його тягові можливості. Він є сумарним результатом дії всіх сил: тиску продуктів згоряння пального, тертя, інерції і т.д., помноженого на плече прикладення, яке дорівнює радіусу кривошипа колінчастого вала. А потужність — достатньо умовний параметр, який відображає корисну роботу, що виконують гази в циліндрах двигуна за одиницю часу, за вирахуванням втрат на подолання сил тертя й приведення в дію допоміжних механізмів. Чим біль­ший крутний момент двигуна і, що ще важливіше, чим краще він розподілений за діапазоном обертів, — тим швидше розганяються робочі органи молотильно-сепарувального пристрою комбайна. А отже, тим більші сили протидії (наприклад, у разі раптового подавання більшої кількості хлібної маси) він здатен долати без значного зменшення частоти обертання. Це дає можливість обмолочувати врожай із меншими затратами енергії та з мінімальними втратами й пошкодженням зерна.

Таким чином, можна зробити висновок, що потрібен високий крутний момент двигуна в широкому діапазоні обертів колінчастого вала!

Крутний момент ЯМЗ-238АК — 932 Н.м; Д-262.2S2 — 970 Н.м.

Характер зміни крутного моменту двигуна залежно від обертів

Для подолання сил, що протидіють роботі молотильно-сепарувального пристрою та рухові комбайна, потрібен більший момент, максимально «зміщений» до мінімальних обертів. Для розгону ж необхідна оптимальна комбіна­ція розподілу крутного моменту за діапазоном обертів, величини моменту й величини максимальної потужності.

Відомо, що найоб’єктивнішу оцінку динамічних якостей двигуна можна отримати за аналізом його зовнішньої швидкісної характеристики. Зовнішня швидкісна характеристика є залежністю показників роботи двигуна (потужності, крутного моменту, коефіцієнта наповнення циліндрів, питомої та годинної витрати пального та ін.) від частоти обертання колінчастого вала за незмінного положення органу керування, який забезпечує максимальне подавання пального в циліндри.

Аналізуючи залежність зміни крутного моменту в зовнішній швидкісній характеристиці двигуна ММЗ Д-262.2S2, слід відзначити, що максимум крутного моменту припадає на частоту обертання 1540 об./хв. Тобто за підвищення швидкості обертання молотильно-сепарувального пристрою, коли потрібно перебороти опір не тіль­ки хлібної маси, а й значних інерційних сил, двигун матиме великий крутний момент. Крім того, за збільшення навантаження відповідно збільшується і крутний момент, а тяга підвищується.

Важливим параметром, який дає змогу оцінити стійкість режиму роботи двигуна за зовнішньою швидкісною характеристикою, є коефіцієнт пристосованості (запас крутного моменту). Його значення визначається відношенням максимального крутного моменту до номінального, який розвиває двигун на номінальній потужності за номінальної частоти обертання колінчастого вала. Він у нагнітального двигуна Д-262.2S2 значно більший, ніж у ЯМЗ- 238АК, який працює без нагнітання. За даними випробувань в УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого, запас крутного моменту Д-262.2S2 становить 28%.

Особливо помітно важливість цього параметра виявляється в разі подолання комбайном значних навантажень: що більше значення коефіцієнта пристосованості, то більший опір він може подолати. Важливе значення при цьому має і розширений діапазон зміни частоти обертання колінчастого валу, в якому двигун стійко працює, оскільки що більший цей діапазон, то кращі динамічні якості має комбайн і, відпо­відно, тим легше управління двигуном і комбайном у цілому.

Економічність

Економічність двигуна багато в чому визначається технічним рівнем систем і механізмів дизеля (насамперед досконалістю системи живлення), які забезпечують повноту згоряння пального й перетворення отриманої енергії на крутний момент на колінчастому валу.

Системи подавання пального на порівнюваних двигунах виконані за класичною схемою з відокремленим розташуванням паливного насоса й форсунок. Вища повнота згоряння палива завдяки застосуванню турбонагнітання — в дизеля Д-262.2S2 . Причому в ньому втілено принцип не простого нагнітання, а регульованого. Перш за все, це дає можливість досягти заданих характеристик силового агрегату за менших габаритів і маси, ніж за використання атмосферного двигуна. Виходячи з цієї умови, турбодвигун має ще одну важливу конструкційну перевагу: в нього краща паливна економічність. Адже він компактніший, а відтак ефективніше витрачає пальне, ніж його атмосферний «побратим». До того ж у першого менша тепловіддача, насосні втрати й відносні втрати на тертя. Економії пального сприяє також і більший крутний момент за низьких частот обертання колінчастого вала. Крім того, у турбодвигуна кращі екологічні показники, адже менше споживання пального за інших рівнозначних двигунових характеристик означає також менші сумарні викиди шкідливих речовин у довкілля.

І ще один плюс мінського дизеля: завдяки конструктивним особливостям механізмів і систем, у нього зменшені внутріш­ні втрати енергії. Мінський — 6-циліндровий, рядний, а значить, більш урівноважений комбайновий двигун: за більшої потужності він має меншу вагу, більш економічний, ніж двигун ЯМЗ-238АК. Як показали випробування, проведені в УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого, завдяки газотурбінному регульованому нагнітанню і проміжному охолодженню повітря, а також застосуванню сучасних матеріалів і технологій, мін­ські двигуни є новітнім поколінням енергоустановок для комбайнів.

За результатами польових спостережень за роботою комбайнів «Дон» на номінальному навантаженні витрата пального під час виконання однакових робіт у комбайна, обладнаного дизелем Д-262.2S2, на 15–20% менша, ніж у такого самого комбайна, оснащеного двигуном ЯМЗ-238АК без турбонагнітання.

Досвід господарств, які вже експлуатують комбайни з мінськими двигунами Д-262.2S2, показує, що за день роботи економиться до 50–60 л дизельного палива, порівняно з комбайнами, обладнаними двигунами ЯМЗ. За поточної ціни дизельного палива економія становить понад 1700 грн за день роботи. А якщо підсумувати за місяць і сезон, отриманий показник паливної економії по-справжньому вражає.

Надійність, простота обслуговування та ремонту

Під час розробки двигуна, безумовно, в його конструкції передбачені від­повідні умови його застосування. І це не випадково, оскільки принцип використання його як силового агрегату на комбайні істотно відрізняється від роботи на інших машинах. Створити ж універсальну конструкцію «для всіх випадків життя» практично нереально — вона буде прогнозовано програвати за будь-яких варіантів застосування.

Дизель Д-262.2S2 створили конструктори Мінського моторного заводу спеціально для встановлення на комбайни. В ньому втілені всі кращі напрацювання добре відомого Д-240. Двигун постійно вдосконалюють, завдяки чому підвищується його надійність і ресурс.

Зокрема, двигун Д-262.2S2 — рядний, добре «вписується» в компоновку комбайна, має легкий доступ до агрегатів для технічного обслуговування й ремонту. Він має меншу вагу, ніж двигун ЯМЗ-238АК, і більш урівноважений. Менша вібрація значно зменшує навантаження на деталі двигуна, підвищує їхній ресурс і не спричиняє порушення герметичності очисника повітря і трубопроводів подавання повітря.

Конструкційна продуманість будови двигуна Д-262.2S2 спрощує процес його ремонту. Мережа сервісних центрів із обслуговування й ремонту мін­ських двигунів добре розвинута, запасні частини не дефіцитні. А оскіль­ки він має меншу кількість деталей, які потребують заміни, вартість ремонту Д-262.2S2, порівняно з ЯМЗ-238АК, дешевша на третину, що, звісно, є дуже привабливою економічною перевагою.

М. Макаренко, доцент кафедри «Трактори і автомобілі» Харківського національного технічного університету сільського господарства (ХНТУСГ) імені Петра Василенка, сільськогосподарський дорадник

Журнал «Пропозиція», №12, 2018 р.