Поиски рационального отвала

В конце XVIII в. во всей Западной Европе широко распространилась плодосменная система. В России ее стали применять лишь в отдельных помещичьих хозяйствах, в основном свеклосеющих. Горячим сторонником и пропагандистом ее был русский агроном Комов. Поле делили на четыре клина. Первый засевали кормовыми травами, в основном клевером, второй - пшеницей, третий - пропашными (сахарной свеклой или кормовыми корнеплодами) и четвертый - овсом или ячменем с подсевом клевера.

То обстоятельство, что при обработке почвы под пропашные культуры требовалась глубокая вспашка с хорошим оборачиванием и крошением пласта, заставило механиков заняться поисками рациональной формы отвала. Отвал прежней формы не переворачивал, а только отбрасывал пласт.

Новую форму отвала предложил в 1765 г. немецкий механик Отто Мюнхаузен. В 1875 г. Англичанин Бейли, изучая кривизну полностью перевернутого пласта почвы, пришел к выводу, что отвалу надо придать форму, напоминающую отрезок винтовой поверхности. Бейли поступил довольно просто. Вырезав длинный кусок дернины, он повернул один конец пласта на 180 градусов вокруг продольной оси. Получилась винтовая поверхность. По форме ее нижней части Бейли подобрал форму отвала и впервые вывел соотношение между шириной пласта и глубиной вспашки. По его расчетам ширина пласта должна быть больше глубины в 1,5 раза. Такой вывод Бейли сделал, исходя из необходимости получения максимальной поверхности пашни для лучшей ее аэрации, действия тепла и света. Позднее это исходное положение Бейли было опровергнуто, а в основу расчетов было взято другое - обеспечение устойчивого положения отваленного пласта.

Тем не менее заслуга Бейли значительна. Применив впервые геометрические построения, он выяснил основной принцип плужной обработки почвы, оборот пласта, и по нему опытным путем подобрал форму отвала. Однако его конструкция основывалась лишь на практических наблюдениях, и он никоим образом не объяснял, почему принята такая, а не иная поверхность отвала.

В то время как различные отрасли математических наук подвигались быстрыми шагами на пути приложения к практике, земледельческая механика находилась еще в колыбели своего развития. Но техники не были в этом виноваты. В распоряжении конструкторов не было даже элементарных сведений о требованиях к обработке почвы плугом с учетом разнообразия физико-механических свойств поля. Наука о системе земледелия и растениеводство только зарождались, поэтому создатели плугов были вынуждены полагаться только на свои личные наблюдения или на разноречивые указания сельских практиков.

Между тем вопрос о рациональной форме отвала стал главным вопросом в создании совершенного плуга, с тех пор как Бейли построил свой отвал. К тому времени стало ясно: отвал - самая важная часть плуга, от его формы зависит качество, конечный результат пахоты, цель которой обернуть и хорошо раскрошить почвенный пласт. Перед создателями плугов вставала задача выбора такой поверхности отвала, которая была рассчитана прежде всего исходя из условий наиболее совершенной работы плуга.

А условий можно было насчитать бесчисленное множество даже в одной стране - Англии. Одна и та же почва может обладать различными механическими свойствами в сухом или влажном состоянии, а также смотря по тому, что на ней было высеяно и как убрано. Трудности решения задачи этим не ограничивались. Бесконечное разнообразие геометрических поверхностей с переменными параметрами затрудняло выбор рациональной поверхности отвала опытным путем, которым пользовался Бейли. Нужны были геометрические основания для построения поверхности отвала, отражающие процесс оборота пласта.

Впервые такие основания для построения винтовой поверхности отвала дали итальянские аббаты Ламбурчини и Ридольфи в 1830г.

Для упрощения задачи они представили пласт в виде прямоугольника - кирпича. Рассмотрев последовательно положение пласта почвы в процессе оборота, они показали, что для полного оборота его необходимо вращать сначала около одного ребра, а затем около другого. При этом опорная плоскость последовательно будет занимать ряд положений с разным наклоном ко дну борозды. Если соединить ряд положений этой плоскости непрерывной поверхностью, то получится поверхность винтового отвала. При этом пласты необходимо раздвинуть по ходу движения на определенное расстояние, которое и определяет длину полученного отвала.

Такая теоретическая поверхность рассчитана для пласта определенного размера и прилегает к нижней части пласта по всей длине образующей. Между тем при повороте пласт должен опираться на отвал только верхней половиной, так как нижняя часть сама себя уравновешивает.

По этим соображениям при построении английского и шведских плугов стали применять вместо прямой образующей выпуклую кривую. Полученный отвал представлял уже не линейную, а криволинейную винтовую поверхность и лучше приспосабливался к пластам различного размера.

Разработкой винтовой поверхности отвала занимался даже президент США Джеферсон, предложивший в 1797 г. отвал в форме гиперболического параболоида. Поверхность отвала он построил перемещением образующей прямой параллельно поперечно-вертикальной плоскости по двум направляющим прямым. Такой отвал не в состоянии отваливать пласт крылом отвала до конца, так как проекция образующей на поперечно-вертикальную плоскость все время проходит через одну точку. Поэтому поверхность отвала хорошо совпадает с положением пласта только в первый момент его подъема (в передней части отвала) и не совпадает с положением пласта, когда он вращается уже около другой точки (в задней части отвала).

Добиться правильной винтовой формы отвала при помощи ковки, которая тогда производилась кузнецами вручную, было очень трудно. Это можно было сделать лишь с помощью литья, которое уже широко применялось в машиностроении для изготовления деталей самой разнообразной формы из чугуна. Впервые чугунные отвалы полувинтовой формы предложил английский инженер Р. Рансом. Он же в 1803 г. первым стал подвергать стальной лемех закалке.

Развитие промышленного производства плугов, общий уровень техники машиностроения позволили перейти к изготовлению целиком металлического плуга. Плуги стали прочнее, дороже. Первый чугунный плуг был изготовлен в 1797 г. в Англии Ньюбольдом.

Интересное новшество в конструкцию чугунного плуга внес в 1819 г. американский фермер П. Вуд. Он изготовил отдельно лемех, отвал и другие детали плуга. По мере износа отдельных деталей плуга их можно было быстро заменить. Но чугунные детали совершенно не могли работать на каменистых почвах и быстро выходили из строя. Кроме того, чугунные лемехи быстро затуплялись даже при пахоте рыхлых почв.

Сталь для изготовления лемеха впервые применил в 1833 г. американский кузнец Джон Лен из Чикаго. Он сделал сменное стальное лезвие, которое крепилось к чугунной оправе. Собственно с этого лемеха начался путь широкого применения стали при изготовлении плугов, который закончился созданием целиком стального плуга.

Первый стальной плуг построил американский кузнец Джон Дир в 1833 г., основавший всемирно известную фирму по производству сельскохозяйственных машин и орудий.

Первое время на изготовление плугов шла так называемая пильная сталь, которая в то время считалась наиболее прочной. Однако она крошилась при встрече лемеха с камнем. Только с 1868 г. для плугостроения стали применять специальную плужную сталь, которую получил американец В. Морисон. До 70-х годов XIX в. производилась главным образом тигельная сталь, стоимость которой была в пять раз выше железа. Поэтому сталь не могла получить широкого распространения в плугах и применялась лишь для изготовления некоторых ответственных деталей и инструмента. Только общий подъем сталелитейной промышленности, начавшийся во второй половине XIX в., открыл путь стали в плугостроении.

Появление винтовых и полувинтовых отвалов, не раскрашивающих обернутый пласт, вызвали к жизни и другие почвообрабатывающие орудия - бороны, культиваторы, катки.

Вот несколько примеров создания новой техники: в 1798 г. Вильям Ластер создал цельнометаллическую борону; в 1782 г. английский механик Джеймс Кук изобрел ложечный высевающий аппарат; в 1803 г. англичанин Дукет впервые предложил сошник для образования борозд и заделки семян; в 1830 г. конструктор сеялок Альбан соединил сеялку с пропашником, установив сошники на концах семяпроводов.

Появление таких сеялок ставило новые требования к обработке почвы. Почва должна быть хорошо разрыхлена и раскрошена, чего не мог сделать плуг. Поэтому поиски орудий, способных приготавливать почву для успешной работы сеялки с сошниками, продолжались и завершились изобретением культиватора, зубовой бороны "Зигзаг", луговой бороны.

В 1838 г. англичанин Фонлейсон соорудил два новых орудия для разделки мощных пластов, поднятых плугом на целине. Для разрушения дернины он установил на раме ножи, похожие на плужные обрезы, а для подрезания корневищ - небольшие ножи, похожие по форме на гусиные лапки. Первое орудие назвали груббер, т. е. копатель, второе - крюммер, т. е. разрыхлитель. Это были прообразы культиваторов.

В 1839 г. англичанин Амстронг впервые применил изобретенную им борону "Зигзаг", а немецкий изобретатель Лакке создал луговую борону с ножами. Заметим, что русские крестьяне издавна применяли деревянные бороны для рыхления почвы после вспашки плугом. Но, конечно, никто из русских мастеров патентов на изобретения не брал, хотя орудия были изготовлены вполне совершенным образом.