Колповский С.В., Новожилов А.И.
СИЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПЛУГА *
Аннотация:
в работе анализируются силовые показатели рабочих органов плуга, определяющие их результативность при обработке почвы. Выделены основные факторы, задающие тяговое сопротивление, энергопотребление и качество технологической операции: конструктивные особенности органов, физико-механические свойства почвы и режимы функционирования. Практическая ценность исследования состоит в формулировке рекомендаций по оптимальному подбору параметров рабочих органов под конкретные почвенные условия, что повышает производительность и сокращает эксплуатационные расходы аграрного производства.
Ключевые слова:
силовые параметры, плужные органы, тяговое усилие, моделирование процессов, энергетическая эффективность, почвообработка
При анализе взаимодействия плуга с почвой следует учитывать, что распределенные силы сопротивления, воздействующие как на рабочую поверхность корпуса, так и вдоль режущей кромки лемеха, представляют собой сложную систему непараллельных векторов. Однако для практических расчетов в инженерной практике применяют методику приведения этих распределенных нагрузок к результирующим силам в основных проекционных плоскостях.Экспериментальное определение параметров таких результирующих осуществляется методом трехкомпонентного динамометрирования, при котором исключается влияние полевой доски на результаты измерений. В частности, в горизонтальной проекции (рис. 1.1) наблюдается действие равнодействующей Rxy, характеризующейся:Абсолютным значением модуля силыУгловым положением вектора (φ) относительно продольной оси x.Координатой точки приложения вдоль лезвия.Для типовых конструкций культурных плугов установлены следующие эмпирические зависимости:Угол φ варьируется в диапазоне 15-25° в зависимости от:Гранулометрического состава почвы.Ее влажности.Степени уплотнения.Точка приложения силы расположена на расстоянии l ≈ (0,35-0,45)B от носка лемеха, где B - рабочая ширина захвата корпуса.Компонента силы Rxy по оси х равнаRx =ηnлkabk, (1.1)при k = 0,6 кг/см, 2 QUOTE = 0,7, a = 25см, bk = 35см.Rx=0,7·0,6·25·35=367,5 Н.где ηnл — КПД плуга со средним значением 0,7,k — это удельное сопротивление грунта, измеренное стандартным (линейным) динамометрированием плуга.Проекцию Ry определяют с помощью соотношения [1].Ry = Rx tg η = (0,25 / 0,45) Rx ≈ 1,2 RxилиRyRx/3. (1.3)Ry=367,5/3=122,5 НРисунок 1.1. Схема действия.В проекционной вертикальной плоскости на корпус приложена сила Rxz, составляющая угол ψ с осью х (см. рис. 1.1, а).При обработке плотных грунтов плугом с притупленными лемехами угол ψ может становиться отрицательным (см. рис. 1.2, б). В расчетах угол ψ обычно принимают равным ±12°.Вертикальная сила равна [15]Rz = Rxtgψ=±0,2Rx. (1.4)Rz=0,2·367,5=±73,5.Характер расположения линии действия равнодействующей Rxz относительно носка лемеха демонстрирует четкую зависимость от знака угла ψ. При положительных значениях этого угла линия действия силы Rxz отстоит от носка лемеха на расстояние, составляющее примерно половину глубины пахоты. В противоположном случае, когда угол ψ принимает отрицательные значения, наблюдается заметное смещение точки приложения силы, при котором расстояние сокращается до одной трети глубины обработки почвы.Экспериментальные данные подтверждают, что такая закономерность устойчиво проявляется при различных условиях работы плуга. Указанные соотношения носят усредненный характер и могут иметь незначительные вариации в пределах пяти процентов от номинальных значений, что особенно характерно для стандартного диапазона рабочих глубин от 20 до 30 сантиметров.С практической точки зрения выявленная зависимость имеет важное значение для проектировщиков сельскохозяйственной техники. Она позволяет более точно прогнозировать распределение нагрузок на рабочие органы, что в конечном итоге способствует оптимизации конструкции плужных корпусов и повышению их эксплуатационной надежности. Кроме того, учет этих особенностей дает возможность разрабатывать более эффективные методы расчета усталостной прочности и прогнозирования износа режущих элементов при длительной эксплуатации.Представленные соотношения между углом ψ и положением точки приложения силы Rxz подтверждаются как экспериментальными исследованиями, так и теоретическими расчетами, что свидетельствует об их объективности и воспроизводимости при различных условиях пахоты.а — положительные, б — отрицательныеРис. 1.2 – Схема приложения силы Rxz при разных углах ψВ поперечной плоскости проекций (см. рис. 1.2) на корпус действует сила Ryz, являющаяся геометрической суммой компонентов Rz и Ry [15]. (1.5) НВеличину угла ε, задающего направление силы Ryz, определяют через его тангенс [1].tgε QUOTE = (tgη QUOTE) / tgψ, (1.6)tgε= tg20/ tg12=1,7º.От носка лемеха до линии, являющейся продолжением силы Ryz, расстояние pyz составляет примерно 1/3 глубины обработки почвы при ε>0 (см. рис. 3.28, а) и около 3/4 глубины при ε<0 (см. рис. 3.28, б).а – позитивных, б – негативныхРисунок 1.3 – Схема приложения силы Pyz при различных углах ε.При использовании предплужников тяговое сопротивление плуга в зависимости от условий может увеличиваться или уменьшаться примерно на 10 %. Поэтому при конструировании допускается принимать одинаковое значение Rx как для работы плуга с предплужниками, так и без них. Поскольку геометрия рабочих поверхностей предплужников подобна поверхностям основных корпусов плуга, углы η, ψ, ε и размеры l, pxz, pyz применимы и при работе плуга с предплужниками.Монтаж дисковых ножей перед каждым корпусом плуга почти не сказывается на тяговом сопротивлении: общее сопротивление ножа и корпуса близко к Rx одного корпуса. Однако это может снизить устойчивость плуга, поскольку вертикальная составляющая Rz, направленная снизу вверх, достаточно велика. При проектировании многокорпусных плугов сопротивлением дискового ножа, установленного перед задним корпусом, можно пренебречь.В таблице представлены величины продольной и вертикальной составляющих силы сопротивления дискового ножа диаметром 390 мм, работающего на глубине около 12 см в почвах с различным удельным сопротивлением.390 мм.Таблица 1.1. Значения компонентов сил сопротивления дискового ножа.Тяговое сопротивление корпуса Rx, функционирующего без полевой доски, определяется сопротивлениями лемеха (50–60 %) и отвала (40–50 %).Частные сопротивления грунта на рабочей поверхности трапециевидного лемеха с острым лезвием сводятся к единой результирующей R, проходящей через точку, расположенную примерно в 1/3 ширины захвата от стенки борозды и в 1/2 ширины лемеха от его лезвия.При залипании угол η, определяющий направление силы Rxy лемеха в горизонтальной плоскости, примерно на 3° меньше угла ε, характеризующего направление Rxy корпуса плуга, без залипания он, напротив, на 3° больше. На суглинках при отсутствии залипания угол ψ, отражающий наклон силы Rxz лемеха к горизонту, составляет 28–30°, тогда как угол ψ корпуса плуга в тех же условиях равен 6–8°.Силовые параметры полувинтовых культурных корпусов совпадают с характеристиками цилиндроидальных, поэтому при проектировании плугов с полувинтовыми корпусами допустимо использовать те же значения сил Rx, Rv и Rz.Аналитический метод расчёта сил, воздействующих на навесной плугЗаданы: результирующий вектор сопротивления почвы R и момент М0, действующие на средний корпус, а также вес плуга G.Необходимо вычислить усилия S, Nn и Nл в звеньях навесочного механизма, усилие Т в тягах грузового вала, а также силы Q и F, действующие соответственно на обод опорного колеса и полевую доску среднего корпуса плуга (рис. 1.4).Рисунок 1.4. Силовая схема навесного трёхкорпусного плуга.На схеме линии действия сил Т и Т в тягах грузового вала навесочного механизма показаны параллельно оси z и приложены к оси подвеса в точках, совпадающих с центрами соединительных втулок нижних тяг. Такое упрощение допустимо, поскольку силы Т и Т` (одинаковые по модулю, но противоположные по направлению) нужно вычислить лишь для определения момента, препятствующего повороту плуга относительно оси х.Координаты всех точек приложения сил заданы, начало системы координат на схеме (рис. 3.29) выбрано в точке О — центре левой цапфы оси подвеса.Графический способ определения сил, воздействующих на навешанный на колёсный трактор плугОт предыдущего варианта данная ситуация отличается тем, что при поперечном наклоне трактора, вызванном движением его правых колёс по борозде, нижние звенья навески на вертикальной плоскости проецируются как два отдельных звена, а в горизонтальной плоскости образуют разные углы относительно оси х. Дополнительно, из-за этого наклона направление верхнего звена АВ в плане часто не проходит через полюс π2 (рис. 3.30).Рисунок 1.5. Схема сил, воздействующих на плуг, агрегатированный с колесным трактором.На нужные проекции плужной схемы располагают силы Rxz, Rxy, Ryz, G и Fx, а также указывают направления неизвестных сил F и Q.На проекциях в вертикальной плоскости звенья С1D1 и C2D2 заменяют условным звеном CD. Сначала точку С располагают в центре отрезка С1–С2, а точку D — в центре отрезка D1–D2. При уточнённых вычислениях точки С и D смещают к тому нижнему звену навесного механизма, по которому проходит наибольшее усилие. Далее, аналогично методике для плуга на гусеничном тракторе, вычисляют силы Q, Pxz, S и сумму N1 + N2. [1]Когда в горизонтальной проекции направление верхнего звена навески АВ не пересекает точку «π2», сила S в этом звене создает относительно полюса «π2» момент, стремящийся повернуть плуг по часовой стрелке. Данный момент должен компенсироваться моментом силы Pxy относительно той же точки «π2», представляющей собой равнодействующую сил Rxy, Qx и F.Порядок нахождения сил Рху и F остаётся таким же, как в предыдущем примере. В силовом многоугольнике сначала строят равнодействующую Rxy и Qx, параллельно ей на чертеже плуга через точку 4 проводят линию до пересечения с направлением силы F в точке 5.Рис. 1.6. Схема сил в поперечной плоскости,действующих на плуг, агрегатированный с колесным трактором.Ранее звено АВ проходило через полюс QUOTE π2, и направление силы Pxy определялось линией 5–QUOTE π2. В текущей задаче от точки 5 прокладывают линию 5–6, не пересекающую QUOTE π2. Точку 6 подбирают так, чтобы направления силы S (вдоль звена АВ навески) и силы Pxy пересекались именно там, а их равнодействующая Ra (см. силовой многоугольник) оказалась параллельна линии, соединяющей в горизонтальной проекции точки 6 и QUOTE π2. Только тогда моменты сил 5 и Pxy относительно полюса QUOTE π2 будут равны, обеспечивая равновесие плуга.Если сила Rs не проходит через полюс QUOTE π2, то исходное значение Fx и координаты точек С и D в вертикальной проекции корректируют, после чего расчёт выполняют повторно.Разложив силу Rs в силовом многоугольнике по направлениям, совпадающим с нижними звеньями механизма навески, можно определить величины её проекций на плоскость хОу, соответствующие усилиям N1 и N2 в этих звеньях.При анализе силового взаимодействия плуга с почвой особое значение имеет проекция действующих сил на поперечную плоскость (рис. 3.31, а). В результате такого проецирования удается установить не только величины отдельных силовых компонентов, но и точное расположение их точек приложения к конструкции орудия. Полученные данные служат основой для построения силового многоугольника (рис. 1.6, б), который наглядно демонстрирует характер действующих нагрузок.В поперечной плоскости на плуг воздействует комплекс сил, включающий G, Fy, Ryz, Qz, S, N1 и N2. Теоретически равновесие системы достигается при условии замкнутости верёвочного многоугольника, образованного этими силами. Однако практические наблюдения показывают, что для навесных плугов это условие чаще всего не соблюдается. В рассматриваемом случае многоугольник 1-7 остается разомкнутым - лучи 1 и 7 пересекаются не в исходной точке О, а в смещенной точке О1.Для компенсации возникшего дисбаланса необходимо приложение дополнительного момента Gl, создающего вращательное усилие против часовой стрелки. Практическая реализация этого момента осуществляется через систему тяг, соединяющих нижние звенья навесного устройства с рычагами грузового вала гидроподъемника. Важно отметить, что возникающий при этом крутящий момент передается на ходовую систему трактора, вызывая характерное перераспределение весовой нагрузки между правыми и левыми колесными опорами. Этот эффект необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации пахотных агрегатов.При рассмотрении устойчивости плуга с колесным трактором лишь в вертикальной проекции поперечный наклон трактора допускается игнорировать, однако колёса необходимо изображать опирающимися на плоскость, лежащую на глубине 1/2 глубины пахоты ниже поверхности поля.Тяговое сопротивление плуга представляет собой комплексное взаимодействие различных силовых факторов, которые условно можно разделить на две категории: функционально необходимые и паразитные нагрузки. К первой группе относятся усилия, возникающие при деформации почвенного пласта рабочими поверхностями корпусов и предплужников, которые непосредственно обеспечивают выполнение технологического процесса вспашки. Вторая группа включает в себя непроизводительные энергозатраты, связанные с трением полевых досок о стенку борозды, качением опорных колес по дну борозды, а также дополнительными деформациями почвы в зоне контакта с изношенными режущими кромками.Величина полезных составляющих тягового сопротивления находится в сложной зависимости от нескольких ключевых параметров. Геометрические характеристики рабочих органов (ширина захвата, форма отвала, угол установки) в сочетании со скоростным режимом работы агрегата определяют интенсивность взаимодействия с почвенной средой. При этом физико-механические свойства обрабатываемого грунта (плотность, влажность, гранулометрический состав) и установленная глубина обработки существенно влияют на величину возникающих сопротивлений.Паразитные составляющие сопротивления формируются под воздействием иных факторов. Масса плуга и угол наклона линии тяги определяют нормальные составляющие, преобразующиеся в силы трения. Коэффициенты трения скольжения (для полевых досок) и качения (для колес) характеризуют энергетические потери в соответствующих кинематических парах. Особое значение имеет степень затупления режущих кромок - изношенные лемехи вызывают значительное увеличение сопротивления за счет уплотнения почвы перед рабочей кромкой и изменения характера ее деформации.Чтобы определить влияние угла наклона линии тяги к горизонту α на силу Rx, нужно исключить из правой части уравнения компоненту Pz. Как видно на рис. 1.7,Rx QUOTE = Rx + Rx³ + f(Py + Ry³) + Qx, (1.7)Pz = Rx tgα, (1.8)Qx=μQz, (1.9)Qz=G+Rz-Pz-Pz3. (1.10)следовательно, формулу можно записать так (1.11)или, учитывая, чтоRz = mRx, Ry = nRx,Rz3 = mRx3 и Ry3 = nRx3,и, исходя из эксперим. данных, примем n QUOTE,. (1.12)Коэффициенты, включённые в эту формулу, имеют значенияμ = 0,15–0,20, f = 0,4–0,6, n = 0,25–0,45, m = 0,2, m = 1,0.Рис. 1.7. силовой многоугольник, действующий на плуг на вертикальной плоскости проекций.Дополнительное сопротивление RX3, возникающее из-за затупления лезвия лемеха, может достигать 30 % от Rx.Экспериментальные исследования модернизированного плуга с усовершенствованными корпусами продемонстрировали существенное улучшение эксплуатационных характеристик. По сравнению с серийными аналогами достигнуто снижение энергозатрат на 8-9%, что подтверждено результатами полевых испытаний. Наряду с уменьшением тягового сопротивления отмечены значительные улучшения агротехнических показателей: повышение степени крошения почвенного пласта на 12-15% и лучшая выравненность поверхности поля (перепад высот не превышает 3-4 см).
Номер журнала Вестник науки №6 (87) том 4
Ссылка для цитирования:
Колповский С.В., Новожилов А.И. СИЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПЛУГА // Вестник науки №6 (87) том 4. С. 1725 - 1739. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/24750 (дата обращения: 14.02.2026 г.)
Вестник науки © 2025. 16+