ВЛИЯНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ НА ТЯГУ И СОПРОТИВЛЕНИЕ ОБОРОТНЫХ ПЛУГОВ

EFFECT OF THE FRICTION COEFFICIENT ON THE TIE AND RESISTANCE OF REVERSE PLUGS

Nadikta Konstantin Vasilievich

Student, Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin,

Russia, Krasnodar

Mishchenko Maxim Alekseevich

Student, Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin,

Russia, Krasnodar

Nikolenko Alexander Yurievich

Assistant, Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin,

Russia, Krasnodar

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена анализу влияния коэффициента трения в системе «почва-металл» на тяговое сопротивление оборотных плугов. Актуальность работы обусловлена необходимостью снижения энергозатрат при основной обработке почвы, где фрикционная составляющая может достигать 40% от общего сопротивления. Научная новизна заключается в систематизации факторов, определяющих коэффициент трения при взаимодействии почвы с рабочими поверхностями, и обобщении современных конструктивных решений по его снижению. Методологической основой послужил анализ классических зависимостей, основанных на формулах Дерягина и Горячкина. В результате показано, что комбинированное применение антифрикционных материалов, оптимизированной геометрии отвалов и вибрационных эффектов позволяет снизить тяговое сопротивление на 20-30%.

ABSTRACT

This article analyzes the influence of the friction coefficient in the soil-metal system on the traction resistance of reversible plows. The relevance of this work stems from the need to reduce energy consumption during primary tillage, where the friction component can reach 40% of the total resistance. The scientific novelty lies in systematizing the factors determining the friction coefficient during soil-surface interaction and summarizing modern design solutions for its reduction. The methodological basis is an analysis of classical relationships based on the Deryagin and Goryachkin formulas. It is shown that the combined use of antifriction materials, optimized moldboard geometry, and vibration effects can reduce traction resistance by 20-30%.

Ключевые слова: тяговое сопротивление, коэффициент трения, оборотный плуг, фрикционное взаимодействие, сельское хозяйство.

Keywords: traction resistance, friction coefficient, reversible plow, friction interaction, agriculture.

Основная обработка почвы относится к наиболее энергоемким операциям в растениеводстве, потребляя до 40% всех энергоресурсов хозяйства. Снижение тягового сопротивления почвообрабатывающих орудий является актуальной задачей, напрямую влияющих на экономическую эффективность производства.

Оборотные плуги, широко применяемы в современной агротехнике, их использование позволяет достичь более ровной поверхности поля без свальных гребней и развальных борозд, характерных для участков, где встречаются соседние загоны, обработанные стандартными плугами [4, с. 130]. Однако оборотные плуги подвержены значительному сопротивлению почвенной среды, что носит комплексный характер и включает сопротивление деформации пласта, инерционную составляющую и силы трения, возникающие при скольжении почвы по рабочим поверхностям. Фрикционное взаимодействие в системе «почва-металл» остается одним из ключевых, но недостаточно изученных факторов, формирующих общее тяговое усилие.

Коэффициент трения не является постоянной величиной и варьируется в зависимости от типа почвы, ее влажности, состояния поверхности плуга и материала рабочих органов. На тяжелых и влажных почвах фрикционная составляющая сопротивления может достигать критических значений, обуславливая перерасход топлива, интенсивный износ оборудования и ухудшение агротехнических показателей вспашки.

Детальный анализ природы фрикционных процессов и их влияния на энергетические параметры работы оборотных слугов необходим для обоснования конструктивных решений, направленных на минимизацию тягового сопротивления.

Взаимодействие рабочего органа плуга с почвой представляет собой сложный физико-механический процесс, в котором можно выделить деформирование почвенной среды и трение на контактных поверхностях. При движении плуга происходит сжатие, сдвиг и разрушение почвенного плата с последующим его перемещением по лемеху и отвалу. В системе реализуются внешнее трение почвы при деформации и перемещении пласта. Для описания сил трения, возникающих при скольжении почвы по металлической поверхности, используется формула Дерягина: , где τ — сопротивление сдвигу, f и f₁ — коэффициенты пропорциональностей для деформационной и адгезионной составляющих, P — равнодействующая сил нормального давления, п — удельная сила прилипания, S — площадь контакта. Классическое описание тягового сопротивление плуга было предложено Горячкиным: , формула представялет собой сумму сопротивления перекатыванию колес и трению о дно и стенки борозды, сопротивления подрезания пласта и скоростного сопротивления, зависящего от кинетической энергии, передаваемого почве.

Коэффициент внешнего трения для пары «почва-сталь» зависит от нормального давления пласта н а отвал, скорости скольжения и наличия граничной смазки, роль которой выполняют почвенная влага и органические коллоиды. С увеличением влажности до 15-25% коэффициент трения растет вследствие адгезионного взаимодействия3, после чего снижается за счет смазывающего эффекта свободной воды. Шероховатость поверхности металла увеличивает сопротивление скольжению из-за вклинивания микронеровностей в почву. Форма рабочей поверхности корпуса определяет характер давления пласта на отвал: чем интенсивнее оборот пласта, тем выше нормальные напряжения и вклад сил трения в общее сопротивление. Процесс трения сопровождается изнашиванием рабочих поверхностей, что ведет к изменению их микрорельефа и фактического коэффициента трения в процессе эксплуатации.

В балансе общего сопротивления фрикционная составляющая может достигать 30-40% в зависимости от типа почвы, режимов работы и состояния рабочих органов. При этом трение оказывает двоякое влияние: с одной стороны, оно необходимо для удержания и оборота пласта, с другой — создает дополнительные потери энергии, не связанные непосредственно с деформацией почвы. Вклад сил тения определяется прежде всего нормальным давлением почвенного пласта на рабочую поверхность. Чем больше масса пласта и чем интенсивнее его деформация на отвале, тем выше сила прижатия почвы к металлу. Особенность работы оборотных плугов является симметричная схема навески и поочередная работа правых и левых корпусов. При обороте пласта происходит его скольжение по отвалу, сопровождающееся трением как по направлению движения, так и поперечном направлении, что приводит к возникновению дополнительных боковых усилий.

Существенное влияние на фрикционную составляющую оказывает липкость почвы. При влажности 18-25% для глинистых почв адгезионные силы достигают максимума, что приводит к налипанию почвы на отвал. В этом случае трение скольжения частично замещается внутренним трением в налипшем слое, коэффициент которого может существенно отличаться от трения почвы о чистый металл. Кроме того, налипший слой изменяет геометрию рабочей поверхности, дополнительно увеличивая сопротивление. При увеличении скорости движения плуга возрастает скорость скольжения почвы по отвалу: на сухих почвах с ростом скорости трение несколько снижается, на влажных — может возрастать вследствие проявления реологических свойств почвенной среды. Вклад трения неодинаков для разных элементов рабочего органа. На лемехе, где происходит основное подрезание пласта, преобладают деформационные процессы. На отвале, где пласт перемещается, изгибается и оборачивается, доля фрикционной составляющей максимальна. Отдельного внимания заслуживает влияние жесткости узлов соединения корпуса плуга. Так, из-за смещения рабочей поверхности корпуса плуга происходит повышение нагрузки в 2…2,7 раз от нормы, что приводит к увеличению тягового сопротивления и расходу горюче-смазочных материалов [1, с. 25]. Экспериментальные данные показывают, что увеличение коэффициента трения на 0,1 при прочих равных условиях может повышать тяговое сопротивление плуга на 8-12%. При работе с затупленными лемехами тяговое сопротивление возрастает на 20-30% из-за роста фрикционной составляющей и изменения геометрии взаимодействия.

Снижение тягового сопротивления без потерь качества обработки почвы и производительности - ключ к экономии ресурсов в сельском хозяйстве. Добиться этого возможно за счет снижения веса конструкции орудия и совершенствовании геометрии рабочих органов или уменьшение силы трения почвы о поверхности рабочих органов за счет увеличения подвижности рабочих органов [5, с. 387]. Можно выделить три основных направления, соответсвующих этим подходам: применение материалов с низким коэффициентом трения, уменьшение площади контакта почвы с рабочей поверхностью и дополнительное динамическое воздействие на почвенный пласт. Наиболее распространенным способом является использование антифрикционных покрытий. Нанесение на рабочую поверхность отвала композитных полимерных материалов на основе эпоксидной смолы позволяет снизить коэффициент трения почвы о металл в 1,5-2 раза по сравнению с необработанной сталью. Практическая реализация такого подхода демонстрирует снижение тягового сопротивления до 20% при одновременном исключении залипания отвальной поверхности. Перспективным направлением является применение полимерных отвалов их высокотехнологичных материалов, например, полиамида, что подтверждается сравнительными испытаниями оборотных плугов.

Принципиально иным подходом является комбинированная обработка, при которой слой почвы разделяется по глубине на две части: нижнюю часть обрабатываемого слоя только рыхлят, а верхнюю крошат, оборачивают и укладывают на разрыхленную нижнюю часть [2, с. 162]. Это позволяет снизить энергоемкость процесса за счет перераспределения нагрузки между рабочими органами и уменьшения доли фрикционной составляющей на основном корпусе.

Другим конструктивным решением выступает использование полосовых и прутковых отвалов. Уменьшение площади контакта почвы с рабочей поверхностью достигается за счет выполнения отвала не сплошным, а составленным из отдельных расходящихся полос или прутков. При движении пласта по такой поверхности повышается удельное давление почвы на контактных участках, что улучшает крошение, а наличие пустых зон между элементами конструкции практически полностью устраняет залипание влажной почвой. Дополнительным преимуществом является возможность спонтанной вибрации упругих элементов, способствующей самоочищению. Вибрация рабочих органов рассматривается как самостоятельный перспективный способ снижения тягового сопротивления. В конструкциях с подпружиненными элементами переменное давление почвы вызывает колебания, что дополнительно крошит глыбы и препятствует налипанию. Для обеспечения вибрации всей поверхности отвала применяются специальные опоры с тарельчатыми или цилиндрическими пружинами, обеспечивая амплитуду колебаний 5-7 мм.

Важным направлением остается совершенствование геометрии рабочих органов и поддержание их остроты в процессе эксплуатации. При работе с затупленными лемехами тяговое сопротивление возрастает на 20-30%. Решением выступают самозатачивающиеся конструкции, в которых износ различных частей лемеха происходит с разной скоростью благодаря конструктивным особенностям. Например, выполнение долота с П-образным пазом на нижней грани обеспечивает более быстрый износ боковых полок по сравнению с верхней, что приводит к образованию острого лезвия в процессе работы. Таким образом, наиболее рациональными по отношению обеспечения наименьшего износа лезвия лемеха плуга можно считать плоские и выпуклые формы [3, c. 67]. Для работы на почвах с каменистыми включениями применяются зубчатые лемехи с режущими кромками, наплавленными твердым сплавом.

Современные конструктивные решения позволяют целенаправленно влиять на фрикционную составляющую тягового сопротивления, причем наиболее эффективными признаются комбинированные подходы, сочетающие применение антифрикционных материалов с оптимизацией геометрии рабочих органов и использованием вибрационных эффектов. Дальнейшее развитие данного направления связно с созданием адаптивных рабочих органов, способных изменять свои фрикционные характеристики в зависимости от влажности и типа почвы.

Список литературы:

1. Апажев А.К., Аппаев З.Ш. Пути снижения тягового сопротивления лемешного плуга // Аграрный вестник Урала . — 2012. — №. 3. — С. 24-25.
2. Бойков В.М., Старцев С.В., Павлов А.В., Нестеров Е.С. Энергоемкость обработки почвы при комбинации отвального и плоскорезного технологических процессов // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК – продукты здорового питания. — 2023. — №. 1. — С. 162-168.
3. Нуриев М.К., Нуриев К.К., Тухтақузиев А., Ганиев Б.Г. Оценка интенсивности износа различных по геометрической форме рабочих поверхностей лемехов // Innovatsion Texnologiyalar. — 2022. — №. 4. — С. 64-67. 
4. Рахматуллин Д.А. Применение сельскохозяйственной техники при выращивании подсолнечника // Сельскохозяйственные науки. — 2024. — №. 8-2 (95). — С. 129-133.
5. Ялалетдинов А.Р., Рахимов И.Р., Куликова А.П., Бычков И.В., Кузьмин Д.А., Ялалетдинов Д.А., Усик М.О., Толкачев В.А.     Динамика рабочего органа плуга под действием вибраций // Челябинский физико-математический журнал. — 2023. — №. 8 (3). — С. 387-398.