За прошедшие 100 лет развития электропривода мобильных машин сделано немало, особенно в области совершенствования аккумуляторов. В результате количество получаемой энергии на единицу их веса увеличилось в 5 раз. И все же по удельной энергоемкости аккумуляторам еще далеко до обычного двигателя, о чем свидетельствует предпринятая англичанином П. Олбрайтом попытка решить спор между этими источниками энергии крайними мерами. Он предложил выбросить аккумуляторные коробки, заменив их... автомобильным кузовом, между двойными стенками которого заливается электролит.
"Электромобильный бум" только начался. Однако результаты уже налицо: сейчас серийный (!) электромобиль грузоподъемностью до одной тонны вполне конкурентоспособен по отношению к своим изрыгающим дым городским родственникам. А вот что касается более тяжелых грузовиков и тем более тракторов, то здесь прогресса мало. Ставить на них аккумуляторы - затея пока бесполезная.
Это обстоятельство было очевидно уже очень давно.
И потому история электротрактора начинается с передвижной электролебедки, такой же передвижной электростанции или подстанции и огромных барабанов с электрокабелями.
Электролебедки оказались нежизненными, и от них быстро отказались: используемая в них канатная тяга далеко не лучший и, главное, не универсальный вариант механизации сельского хозяйства. Начались попытки тащить кабель за трактором, установив на нем сматывающуюся и разматывающуюся кабель-катушку - операция не слишком легкая и к тому же небезопасная.
Работали над ней немало, а результаты чуть видны.
В итоге пришли к выводу, что электротрактор станет выгодным, лишь когда будет разработан способ передачи энергии без проводов. Для многих энтузиастов этот вывод прозвучал как "никогда", и работы над электротрактором были приторможены.
А между тем появился новый вариант...
Мы уже говорили, что один из недостатков двигателя внутреннего сгорания - взрывной характер сжигания топлива. Чем "медленнее" горение, тем полнее сгорание топлива. Двигатель становится более экономичным и менее вредным...
Пожалуй, "предельно медленны" как источники горения топливные элементы. Горючее здесь не взрывается, а горит. Его химическая энергия сразу же трансформируется в электрическую, без "промежуточной инстанции". И это позволяет получать 70-процентный КПД.
Топливные элементы известны давно. Немало труда вложил в их совершенствование профессор О. Давтян, опубликовавший первую посвященную им монографию еще в 1947 году. Тогда у него не оказалось последователей: дороговизна изготавливаемых из благородных металлов электродов, необходимых для этих элементов, отпугнула потребителей. Но вот началась эпоха полетов в космос... Космический корабль не трактор, здесь решающий критерий - надежность и удобство. Топливные элементы отвечали этим требованиям, и ими принялись усиленно заниматься. В 60-х годах появились первые тракторы на топливных элементах. Пока что они дороги, но это пока...
Очень сложно пока использовать и атомную энергию. Так что сельскохозяйственный трактор с атомным двигателем еще не проектируется. Однако кто знает, что сулит будущее. Мнения прогнозистов в этом отношении расходятся. Согласны они в одном: по коэффициенту полезного действия своего двигателя трактор лошадь никогда не обскачет, разве что появятся некие бионические двигатели. Но это уж из области фантастики.
По мощности трактор далеко перегнал лошадь.
С 1920 по 1945 год средняя мощность тракторов американского производства возросла с 17,5 до 22,5 лошадиной силы. В следующие 15 лет опл выросла на 20 лошадиных сил и составила 43, а в 1975 году приблизилась к 90 лошадиным силам. Приблизительно так же быстро росла мощность и советских тракторов.
Похоже, что во всех промышленно развитых странах к началу 80-х годов средняя мощность тракторов возрастет до 80-110 лошадиных сил. Появятся (и уже появились) буквально тракторные геркулесы: сейчас советский К-700, например, имеет двигатель, мощность которого превышает 200, а Т-330 Чебоксарского тракторного завода - 300 лошадиных сил, харьковчанин Т-150 располагает 150 лошадиными силами. Уже созданы первые образцы 500-сильных тракторов...
Чем больше мощность двигателя, тем относительно меньше затраты на его эксплуатацию, кроме того,, более мощные трактора позволяют производить сельскохозяйственные работы в более сжатые сроки. А ведь давно известно, что в земледелии "день год кормит", и что "на день раньше посеешь - на неделю раньше соберешь".
Конечно, мощность трактора беспрерывно расти не может. С повышением ее до 300 сил ему уже не хватает четырех колес. Для реализации такой мощности (обеспечения соответствующей ей силы тяги) нужны все шестеро колес, то есть три оси. Ширина колес тоже должна быть увеличена. В результате трактор очень сильно "полнеет в боках".
Существенно усложняются и условия управления:
трактор становится менее маневренным, на нем труднее двигаться по пересеченной местности. Излишне солидный вес, наконец, препятствует развитию высоких скоростей движения, а увеличение их - одна из главных тенденций развития сельскохозяйственной техники.
Итак, у трактора, как и у лошади, есть "порог мощности". Следовательно, существует и некоторый пропорциональный "предел энергонасыщения" гектара, обусловленный основным средством дополнительных "энергетических вливаний" - трактором. Продолжая эту мысль, нетрудно прийти к выводу, что использование тракторной энергетики в сельском хозяйстве приводит с течением времени к "порогу продуктивности" этой сферы производства.
Многие специалисты считают широкое распространение трактора мощностью более 300 лошадиных сил экономически неоправданным; другие, что "порог" можно поднять до 500; третьи уверены, что пределы мощности тракторов должны устанавливаться... правилами уличного движения. В ФРГ, например, этими правилами запрещена эксплуатация тракторов, повышенная мощность которых приводит к необходимости увеличить их габарит по ширине более 3,5 метра.
- И правильно сделали! А то вот на днях я видел один такой трактор на нашей улице - прямо чудовище какое-то! От него не то что лошади грузовики шарахаются! Как только земля держит?!
- А вы не обратили внимание на его колеса?
- Колеса как колеса...
- Не совсем так: они должны быть не круглые.
- Ну, еще бы! Такой трактор да на обычных колесах. Ему квадратные подавай!
Несмотря на существенное уменьшение веса трактора на одну лошадиную силу, развиваемую им, абсолютный вес его непрерывно растет. Это вызвано увеличением мощности, реализовать которую можно, только увеличив так называемый сцепной вес.
Вам никогда не приходилось задумываться, почему мы ходим или почему едет машина, везя вас из города на экскурсию. Впрочем, тут и размышлять не о чем:
движение обеспечивается сцеплением с почвой ботинок или шин. Чтобы оно было лучше, на них наносят "рисунок" из выступов - впадин. В фантастическом "мире без трения" движение невозможно.
В реальном мире трактор сможет развить тем большую мощность тяги, чем лучше удается ему упереться в землю. Слишком легким в связи с этим он быть никак не может. В этом-то и заключается основное противоречие между главным энергосредством земледелия и землей, от которой трактору приходится отталкиваться и которую одновременно он обрабатывает. Некруглые (и даже квадратные) колеса - свидетельство неустанной борьбы конструктора с этим противоречием...
Академик ВАСХНИЛ В. Желиговский любил шутить.
Один из разделов читаемого им в Московском институте инженеров сельскохозяйственного производства курса он обычно начинал так:
"Сегодня мы приступаем к изучению "околесицы".
И, повернувшись к доске, привычно-округлым движением руки выводил на ней несколько почти идеальных окружностей...
Наука "околесица", которую преподавал маститый ученый, - раздел механики, изучающий качение колеса. Раздел важный, поскольку, как известно, человек с некоторого времени предпочитает опираться не на собственный, вполне естественный стопоходящий аппарат, а на колеса. "Неестественность" этого устройства совершенно очевидна: ведь в окружающей наших предков природе они никак и нигде не могли "подсмотреть" ничего подобного. Неудивительно поэтому, что истории науки известны "теории" космического или даже "мистического" происхождения колеса, которое вначале было будто бы не средством передвижения, а предметом культа.
Действительно, перед колесами и колесницами преклонялись исстари, но в эпоху сплошной автомобилизации иена "религии колеса" стала огромной: сейчас человечество расходует "на колеса" примерно 30 процентов всего добываемого топлива. Так что "околесица" - занятие совсем не праздное.
Когда вам хочется изобразить катящееся колесо, вы рисуете циркулем окружность, касательную к горизонтальной прямой - дороге. "Идеальное" колесо соприкасается с "идеальной" дорогой в одной-единственнои точке. На практике такого не бывает. Чем мягче обод колеса и дорога, тем больше "пятно контакта" между ними, тем сильнее точка касания расплывается в площадку.
Плохо это или хорошо? Мягкая дорога - нелегкая езда: это известно всем. Потому что жесткое колесо продавливает в мягком грунте колею и таким образом утопает ниже уровня той прямой, которую вы изобразили на листе бумаги. Легко сообразить, что в таком случае колесу приходится непрерывно катиться в гору: оно стремится вылезти из продавленного им ущелья вверх, но вместо этого образует новую возвышенность... Катится колесо, а впереди "движется" гора.
Естественно, что непрерывно взбираться в гору труднее, чем катиться по идеально ровной поверхности.
Однако этого мало. Если теперь вы попробуете нарисовать колесо, образующее колею, то убедитесь, что эта последняя напоминает не только гору, но и тормозную колодку, охватывающую часть обода. Сходство не только формальное: колея действительно притормаживает колесо и заставляет его "буксовать".
Все ведущие, то есть движущие машину, колеса обязательно немного буксуют. Это означает, что длина пути, пройденного таким колесом за один оборот, всегда хотя бы немного меньше длины окружности его обода.
Предельный случай буксования у водителей определяется коротким и выразительным: "Все: сели!"
Чем тяжелее колесная машина, тем больше колея, а значит, больше буксование и меньше шансов сдвинуться с места. В этом случае можно сколько угодно увеличивать мощность двигателя: дело от этого "не сдвигается и на шаг".
Вначале выход искали, увеличивая диаметр колеса:
чем он больше, тем меньше колея. Знали об этом давно: огромные колеса среднеазиатской арбы - неплохое средство для движения по песчаной дороге. Но всему есть предел: не делать же десятиметровых колес!
Вот тут-то и вспомнили, что колесо, снабженное зубцами, - шестерня, катящаяся по другой шестерне или по зубчатой прямой рейке, никогда не буксует. Превратить опорное колесо трактора в зубчатые несложно: на стальные ободья нужно наклепать ребра-почвозацепы.
При вращении они вминаются в землю, превращая ее в подобие рейки. Конечно, земля не металл, идеальной зубчатой рейки из нее не получается. Поэтому полностью буксования не избежать.
Хуже, однако, другое: использование почвозацепов приводит к разрушению почвы. Из какой бы прочной стали ни делались шестерни, они все равно изнашиваются. Износ - следствие давления зубьев друг на друга и их относительного проскальзывания - трения. То же и при качении колеса с почвозацепами. В местах, где они оставляют на земле свои следы, почва становится плотлее, а значит, хуже пропускает влагу и воздух.
Чем больше давление, тем выше силы трения. Истирание почвы, превращение крупных ее комьев в пыль - это эрозия. Итак, жесткое колесо с почвозацепами, лишь отчасти решив задачу проходимости, вызвало к жизни проблему еще более сложную.