Как снизить тяговое сопротивление плуга

Без преувеличения можно сказать, что история развития техники - в первую очередь история борьбы за разумное расходование энергии, за ее экономию.

На протяжении многих веков люди стремились снизить тяговое сопротивление плуга. Снижение тягового сопротивления плуга только на 10% позволит в масштабах нашей страны сэкономить свыше 300 тыс. т топлива.

Сопротивление почв при вспашке плугом оценивают удельным сопротивлением. Его определяют делением тягового сопротивления плуга на площадь поперечного сечения обрабатываемого плугом пласта почвы.

Удельное сопротивление обобщающий показатель. Он одинаково необходим как конструктору для правильного расчета и выбора достаточной прочности плуга, так и экономисту при составлении норм выработки на тракторные работы, расхода горючего и определении потребного количества тракторов и почвообрабатывающих машин. Поэтому изучением удельного сопротивления почв занимаются у нас в стране во всех зонах. Все поля должны иметь паспорт по тяговому сопротивлению. Это поможет правильно выбрать орудие и трактор.

По сопротивлению почвы разделяют на легкие, средние, среднетяжелые, тяжелые и очень тяжелые, имеющие удельное сопротивление соответственно 0,3; 0,3 - 0,5; 0,5 - 0,7; 0,7 - 1,2 и свыше 1,2 кг/см².

В общем сопротивлении плуга доля сопротивления колес составляет 8 - 10%, полевых досок корпусов - 10 - 15%, отвала и лемех - 75 - 80%, причем на лемех приходится 50 - 60%. Энергия, непосредственно затраченная на выполнение процесса вспашки, распределяется так: на деформацию почвы 16%, на поднятие и ускорение почвенного пласта 12%, на преодоление сил трения 60%, на резание почвы 12%.

Сила трения почвы по стали зависит от влажности и механического состава почвы.

С увеличением влажности она растет до определенной максимальной величины, после чего начинает резко снижаться с дальнейшим увеличением влажности. Влажность почвы, соответствующая максимальной силе трения, является критической, после которой почва переходит в состояние пластического течения с избытком рыхлой воды.

Сила трения зависит и от механического состава почвы. Чем больше в почве глинистых частиц, тем выше сила трения.

При 40 - 60% капиллярной влажности наступает физическая спелость почвы, тогда тяговое сопротивление вспашки становится минимальным. С силой трения связаны другие физические явления - залипание почвой, перетирание и износ рабочих органов плуга.

По мере роста влажности почвы наступает момент, когда сила сопротивления скольжения почвы по металлу становится выше силы внутреннего трения. В этот момент начинается залипание поверхности отвала.

На поверхности отвала образуются очаги залипания вокруг головок болтов или линии стыковки лемеха и отвала. Постепенно зона залипания распространяется на весь отвал, отбрасывание пласта прекращается, и почва сгруживается перед корпусом. Тяговое сопротивление резко возрастает, а качество вспашки снижается.

Однако при дальнейшем увлажнении почвы наступает гидродинамическое трение. В этом случае силы трения между почвой и рабочей поверхностью уменьшаются за счет толстой водной пленки, образующейся на рабочей поверхности отвала.

Еще в прошлом веке крестьяне ставили на раме плуга бочку с водой и самотеком подавали воду на отвал; так они боролись с залипанием и трением.

В 1936 г. в Швеции этот прием для борьбы с залипанием применили уже на тракторном плуге "Оливер-99". Оказалось, что тяговое сопротивление плуга при вспашке черноземных почв снизилось на 25 - 40%. Воды при этом расходовали 200 - 400 л/га.

Вода из резервуара, установленного на плуге, под давлением подводилась к специальным впрыскивающим отверстиям диаметром 1,5 - 2,0 мм, расположенным на лемехе, и смачивала рабочую поверхность отвала. Чтобы отверстия не забивались почвой, их просверлили под острым углом к поверхности лемеха.

Во Франции сейчас уже применяют на небольших участках плуги с водной смазкой. Вода впрыскивается на поверхность отвала через отверстия, просверленные в болтах, крепящих лемех и отвал к стойке корпуса. Расход воды можно регулировать сменой болтов с различными диаметрами отверстий.

В этом случае движение почвенного пласта по поверхности отвала напоминает скольжение коньков по зеркальному льду. Под давлением коньков лед тает и образует между трущимися поверхностями водяную пленку. Она-то и играет роль смазки, и поэтому коньки легко скользят по поверхности льда.

В нашем случае зеркально-гладкая поверхность отвала - лед, а слой воды - водяная пленка. Эффективность любой смазки зависит от толщины ее слоя. Слишком толстая пленка воды не облегчает, а, наоборот, затрудняет скольжение. Поэтому конструкторы стремятся получить оптимальную толщину водяной смазки, но практически это выполнить не так просто.

В нашей стране в конце 50-х годов было испытано устройство для создания аэродинамической смазки силой выхлопных газов, а позднее с помощью компрессора.

Для этого сжатый воздух, нагнетаемый компрессором, проталкивался в узкую щель между поверхностью отвала и пластом почвы. Образовавшаяся воздушная прослойка удерживает пласт от соприкосновения с поверхностью отвала. Трение пласта по отвалу исключается, а имеет место скольжение слоев воздуха относительно друг друга. Поэтому сила сопротивления на перемещение плуга снижается на 20 - 25% по сравнению с работой без воздушной подушки.

Возникает вопрос: выгоднее ли снижать тяговое сопротивление перемещению плуга созданием воздушной смазки, иначе говоря, заменой механического трения пласта об отвал трением воздушных слоев? Что же, вопрос закономерный. Было бы все хорошо, если бы не одно "но" ...Экономя энергию на снижение тягового сопротивления на перемещение плуга, мы проигрываем на дополнительном расходе энергии для привода компрессора.

Кроме того, почва не образует всегда слитного, сплошного пласта. Она крошится, и поданный под давлением воздух выходит наружу.

Обнадеживает ученых применение так называемой электросмазки. Она основана на явлении электроосмоса почвы, открытого еще в 1807 г. русским ученым Ф.Ф. Рейсом. Он установил, что если приложить к почвенному слою электрическое поле, то начнется движение капиллярной воды в почве к отрицательному электроду под действием электрического тока.

Это явление использовал в 1931 г. С. И. Долгов для снижения тягового сопротивления плуга. Приложив к изолированному от рамы плуга корпусу отрицательный полюс электрической цепи, а положительный опустив в почву, С. И. Долгов вызвал явление электроосмоса. Влага, поднимаясь к поверхности отвала, создавала жидкостную прослойку между почвой и отвалом. Тяговое сопротивление при этом снижалось на 8 - 10%.

Однако явление электроосмоса действовало эффективно только при малых скоростях движения, не выше 0,5 м/сек: с увеличением скорости капиллярная вода не успевала перемещаться к сопряженным поверхностям (почва - отвал).

В послевоенное время скорость вспашки с "электросмазкой" довели до 1,26 м/сек. При этом тяговое сопротивление снизилось на 10 - 15%. Такой способ найдет применение в почвообрабатывающих агрегатах, работающих на малых рабочих скоростях.

В нашей стране в конце 30-х годов для борьбы с залипанием стали применять вибрацию рабочих органов. Например, при работе плуга корпуса совершают колебания с малой амплитудой, но с большой частотой. Движущийся по поверхности отвала пласт получает множество импульсов-воздействий непосредственно по поверхности контакта почвы с корпусом плуга. Пласт находится как бы во взвешенном состоянии, давление его на корпус снижается, а следовательно, уменьшается и сила трения. С другой стороны, вследствие меньшего времени контакта почвы с корпусом плуга происходит залипаемость рабочих органов плуга.

Для борьбы с залипаемостью начинают применять покрытие рабочих органов почвообрабатывающих машин специальным материалом, обладающим тем свойством, что в процессе работы происходит как бы истирание его, т. е. непрерывный снос почвой его поверхностных частиц. Такой материал должен обладать поистине волшебными свойствами: во-первых, связь между поверхностными частицами нанесенного материала и его внутренними слоями должна быть меньше касательных сил трения и прилипания, развиваемых в области контакта, а, во-вторых, материал, нанесенный на поверхность рабочих органов, мог бы отделяться с помощью поверхностных частиц, иначе служить такой материал будет недолго и прием окажется малоэффективным.

Только с развитием химии появилась надежда практического применения этого метода борьбы за экономию энергии.

В СССР применяют фторопласт 3 или 4, в США - тефлон, в Англии - флюон, в Италии - алгофон, во Франции - сорофлок, в Чехословакии - тефлокс, в ФРГ - костофлон.

Эти материалы, напыленные на поверхность отвала, обладают чудесными свойствами - отталкивать от себя почву при любой ее влажности. Например, применение на плуге группы фторопластовых пластмасс и полиэтилена высокого давления снижает тяговое сопротивление на 20%, а иногда на 35%.

Но ахиллесова пята этих чудесных материалов - их низкая износостойкость и пока еще высокая стоимость. Наиболее перспективным направлением для снижения тягового сопротивления плуга являются поиски путей замены трения скольжения почвы по отвалу на трение качения.

В конце 40-х годов американский исследователь Куммер заменил обычный отвал бесконечным прорезиненным ремнем. По мысли автора, за счет трения почвы о поверхность этого ременного отвала ремень начнет вращаться и снижать сопротивление пахоты. Однако надежды изобретателя не оправдались, ремень не вращался. Ему пришлось принудительно через механический привод вращать ремень. Тяговое сопротивление такого плуга снизилось, но из-за ненадежности это устройство широкого распространения не получило.

Позднее венгерский изобретатель Иштван Сабо сконструировал специальный плуг, у которого часть отвала была отрезана и заменена вращающимися резиновыми пневматическими роликами. Такой же ролик установили вместо снятой полевой доски. Этот плуг проходил испытание в нашей стране. Тяговое сопротивление его было на 17% ниже обычного плуга.

Другим направлением снижения тягового сопротивления плуга являются поиски поддержания постоянной остроты лезвия лемеха.

В дальнейшем, возможно, лемех будет иметь волнистую линию лезвия. Зубцы - выступы этих лемехов - тоньше самого лемеха и не требуют заточки. Они служат до полного износа зубьев.