Обеспечение долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин

ОБЕСПЕЧЕНИЕ 
ДОЛГОВЕЧНОСТИ 
РАБОЧИХ ОРГАНОВ
ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ 
МАШИН

Â.Ñ. ÍÎÂÈÊÎÂ

Москва
ИНФРА-М
2019

МОНОГРАФИЯ

УДК 631.31(075.4)
ББК 40.722
 
Н73

Новиков В.С. 

Н73  
Обеспечение долговечности рабочих органов почвообрабатываю
щих машин : монография / В.С. Новиков. — М. : ИНФРА-М, 2019. — 
155 с. — (Научная мысль). — www.dx.doi.org/10.12737/monography_5ba4
86c9827c31.45695326.

ISBN 978-5-16-014351-4 (print)
ISBN 978-5-16-106847-2 (online)
В книге изложены критерии предельного состояния рабочих органов 

почвообрабатывающих машин в результате изнашивания, аналитические 
выражения определения их долговечности на основе износостойкости 
материалов, из которых они изготавливаются, и изнашивающей способности почв. Приведены результаты исследований относительной износостойкости сталей, наплавочных материалов, технической керамики. Даны 
рекомендации по выбору марок сталей для изготовления рабочих органов. 
Представлены методы расчета прочности рабочих органов (на примере лемеха плуга) от деформации и излома. Приведены различные технологии 
упрочнения рабочих органов и результаты их испытаний. Представлен 
пример обоснования материалов, технологий и конструкций при разработке рабочих органов (на примере лемеха плуга), обеспечивающего максимальную долговечность и минимальные затраты при их изготовлении.

Книга предназначена для инженерно-технических работников, зани
мающихся производством и эксплуатацией сельскохозяйственных машин. 
Она может быть полезна также для студентов сельскохозяйственных вузов, 
обучающихся по направлению «Агроинженерия».

УДК 631.31(075.4)

ББК 40.722

Р е ц е н з е н т ы:

Лялякин В.П., доктор технических наук, профессор; 
Кравченко И.Н., доктор технических наук, профессор 

ISBN 978-5-16-014351-4 (print)
ISBN 978-5-16-106847-2 (online)
© Новиков В.С., 2018

Предисловие

Наиболее энергозатратными видами работ в сельскохозяйственном производстве являются основная и поверхностная обработки почв. Одной из важнейших предпосылок повышения 
эффективности этих работ является повышение надежности почвообрабатывающих машин, которая определяется, прежде всего, 
повышением долговечности рабочих органов этих машин. Расчеты 
показывают, что затраты, связанные с заменой быстроизнашиваемых деталей рабочих органов, например, у плугов, составляют 
от 30 до 40 процентов общих затрат на вспашку.
За последние годы учеными и инженерами проведено значительное количество исследований и разработок, направленных 
на повышение надежности машин и их элементов, результаты которых изложены в различных литературных источниках.
Долговечность рабочих органов определяют, как правило, по результатам их испытаний в реальных условиях эксплуатации статистической обработкой информации об износах. Для решения этой 
задачи требуется изготовление опытных образцов и их длительные 
испытания. Это обстоятельство сдерживает развитие конструкций 
и технологий их производства, так как затрудняет сравнение использования различных материалов для их изготовления и упрочнения, хотя оценить эффективность применения различных материалов и технологий следовало бы еще на стадии проектирования.
Использование в практике разработки рабочих органов основ 
теории и расчетов на долговечность таких параметров, как износостойкость и прочность материалов, режимов работы, а также изнашивающую способность почв в значительной мере ускоряет процесс обеспечения машин высокоресурсными рабочими органами.
Решение этой проблемы и составляет главное содержание книги 
B.C. Новикова.
В монографии обобщены результаты кропотливой научноисследовательской работы автора и его учеников за последние 
20 лет его научно-педагогической деятельности.
Книга носит обзорный характер и включает изложение в обобщенном виде научных достижений и передового опыта, показанных в научно-технической литературе. В ней изложены теоретические представления о рассматриваемых вопросах и результаты 
опытных и экспериментальных исследований автора и других 
исследователей. В книге публикуются результаты исследований 
характера износов рабочих органов, их критериальные значения, 
математические выражения для определения их долговечности, 
оригинальные методики расчетов относительной износостойкости 

материалов, расчетов на деформации и изломы рабочих органов, 
методики выбора материалов и технологий для изготовления 
и упрочнения рабочих органов, обеспечивающих повышение их 
долговечности, а, следовательно, и повышение надежности почвообрабатывающих машин и снижение удельных затрат на обработку 
почвы.
Считаю, что материалы этой монографии будут полезными как 
для работников заводов сельхозмашиностроения, так и для инженерных работников сельскохозяйственных предприятий, а также 
для студентов и аспирантов сельскохозяйственных вузов, обучающихся по направлению «Агроинженерия».
Академик РАН,
доктор технических наук,
профессор М.Н. Ерохин

Введение

Основным средством производства в сельском хозяйстве является почва. С целью создания в ней благоприятных условий для 
роста и развития культурных растений, производится ее механическая обработка: вспашка, глубокое рыхление, культивация, фрезерование, боронование, прикатывание. Качество обработки почвы, 
энергетические расходы и общие затраты на ее обработку в значительной мере определяются конструкционными параметрами и состоянием рабочих органов почвообрабатывающих машин. Так как 
почвенная среда абразивна, рабочие органы интенсивно изнашиваются, изменяя свою форму и размеры, поэтому их приходится часто 
заменять или ремонтировать, чтобы обеспечить выполнение агротехнических требований при обработке почвы. Особенно это относится к деталям плужного корпуса, культиваторным лапам, дискам 
лущильников, дисковых борон и др. Многочисленные испытания 
серийных деталей отечественных плужных корпусов показывают, 
что средняя наработка на отказ лемехов П-702 (ПНЧС) в зависимости от видов почв и их физического состояния колеблются от 5 
до 20 га, грудей отвалов — от 10 до 100 га, крыльев отвалов — от 40 
до 270 га, полевых досок от 20 до 60 га. Ограниченный ресурс имеют 
рабочие органы и других почвообрабатывающих машин: диски лущильников и дисковых борон — 8…20 га, лапы культиваторов — 
7…18 га.
Кроме изнашивания, при высоких скоростях обработки почвы 
рабочие органы испытывают значительные динамические нагрузки, 
в результате чего они деформируются и ломаются. Как показывают 
испытания, до 16% лемехов заменяются по причине их деформации 
и излома. Все это говорит о том, что выпускаемые в Российской 
Федерации рабочие органы почвообрабатывающих машин недостаточно совершенны как с точки зрения износостойкости, так 
и прочности.
В последнее время рынок сельскохозяйственной техники 
в нашей стране, в особенности почвообрабатывающих машин, 
значительно расширился за счет предложений зарубежных фирм. 
Широкое распространение в России, в частности, получили плуги 
таких известных зарубежных фирм, как «Lemken» (Германия), 
«Kverneland» (Норвегия), «Vogel-Noot» (Австрия) и другие. Многие 
сельскохозяйственные предприятия предпочитают приобретать 
импортную технику в связи с тем, что она обладает целым рядом 
положительных свойств. В частности, за рубежом получили распространение оборотные плуги, обеспечивающие гладкую вспашку 
без свальных гребней и разъемных борозд. Особенно привлека

тельным в зарубежных плугах является то обстоятельство, что ресурс их рабочих органов в ряде случаев в 2 и более раз превышает 
ресурс рабочих органов отечественных плугов. Этому способствует 
ряд моментов: применение более износостойких и прочных материалов для их изготовления и упрочнения; обеспечение более высокой конструкционной износостойкости, позволяющей сохранить 
высокий уровень работоспособности при значительном износе; 
обеспечение машин предохранительными устройствами, которые 
позволяют рабочим органам огибать препятствия в виде камней, 
уплотнительных участков почвы, другие препятствия при обработке почвы, сохраняя рабочие органы от излома и деформации.
В то же время, как показывает расчеты, несмотря на целый ряд 
преимуществ, которыми обладают машины зарубежных фирм, 
в силу дороговизны самих машин, и особенно стоимости сменяемых деталей рабочих органов, удельные затраты, например, 
на вспашку зарубежными плугами превышают затраты на вспашку 
отечественными плугами не менее чем в 2…3 и более раз. То же 
относится и к другим видам обработки.
Сравнительные испытания отечественных плугов показывают, 
что по основным агротехническим показателям — крошению 
почвы, заделке растительных остатков, устойчивости хода по глубине обработки и ширине захвата они не уступают зарубежным. 
В связи с этим одним из направлений повышения эффективности 
не только отвальной вспашки, но и других видов обработки, может 
быть совершенствование конструктивных параметров и технологий 
упрочнения деталей рабочих органов как для отечественных, так 
и зарубежных машин с целью замены дорогостоящих импортных 
рабочих органов своими, отечественными, обладающими высокой 
работоспособностью и износостойкостью, но значительно ниже 
по стоимости. Ставится задача разработки технологий производства 
и упрочнения деталей рабочих органов повышенной долговечности 
для отечественных почвообрабатывающих машин, а также рабочих 
органов для импортных машин на отечественных предприятиях 
в порядке импортозамещения с целью повышения эффективности 
их использования.
Изнашиваемые детали рабочих органов составляют основную 
часть ненадежных и недолговечных элементов сельскохозяйственных машин. Разработка и применение для этих элементов расчетных методов их износостойкости позволит конструктору в значительной мере еще на стадии разработки проекта оценить, а в ряде 
случаев и выбрать оптимальные конструктивные размеры и формы 
изнашивающихся деталей, обеспечивающие заданную долговечность. Общие основы теории и расчета сельскохозяйственных 
машин были заложены академиком В.П. Горячкиным. Большой 

вклад в изучение вопросов изнашивания рабочих органов сельскохозяйственных машин и разработки мер по повышению их работоспособности и долговечности внесли ученые Бернштейн Д.Б., 
Бойков В.М., Бурченко П.М., Винокуров В.Н., Виноградов В.Н., 
Ермаков Л.С., Ерохин М.Н., Краснощеков Н.В., Крагельский И.В., 
Костецкий С.И., Львов П.Н., Михальченков А.М., Маяускас И.С., 
Ниловский И.Л., Огрызков Е.П., Панов И.М., Пронин А.Ф., Рабинович А.Ш., Розенбаум А.Н., Севернев М.М., Сидоров С.А., Синеоков Г.Н., Тененбаум М.М., Ткачев В.Н., Хрущов М.М. и другие.
В то же время, как показывает анализ, ряд вопросов до сих пор 
не получил должного решения. В частности, в настоящее время 
нет достаточно обоснованной классификации почв по их изнашивающей способности, отсутствуют математические описания 
относительной износостойкости материалов от их химического 
состава, отсутствует методика расчета износа и долговечности деталей рабочих органов в различных условиях изнашивания. Нет 
обоснованных рекомендаций по оптимизации материалов для изготовления деталей рабочих органов, а также их конструктивных 
параметров, обеспечивающих равностойкость рабочих органов.
В данной монографии сделана попытка обобщить имеющиеся 
материалы и дать рекомендации по расчетам конструктивных параметров деталей рабочих органов почвообрабатывающих машин, 
исходя из их износостойкости, прочности, и изнашивающей способности почв.
Автор выражает благодарность за оказанную помощь в проведении исследований и подготовке к изданию книги: доценту, к.т.н. 
Петровскому Д.И., к.т.н. Беликову И.А., к.т.н. Сабуркину Д.А., 
аспирантам Азаровой И.А., Позднякову Н.А., Валежниковой Е.В., 
а также студенту магистратуры Репею О.О.

Глава 1
ХАРАКТЕР И ИНТЕНСИВНОСТЬ 
ИЗНАШИВАНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ 
ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЧВ
ПО АГРОНОМИЧЕСКИМ ТРЕБОВАНИЯМ

Почва — это природное образование, состоящее из генетически связанных горизонтов, формирующихся в результате преобразования поверхностных слоев литосферы под воздействием 
воды, воздуха и живых организмов и обладающее плодородием [1].
Исходя из агрономических требований, классификация почв 
характеризуется множеством разнообразных подходов и классификационных схем. Все они исходят из почвенно-генетических концепций и охватывают самые различные аспекты характеристики 
почв. В основу наиболее современной классификации почв 
в России положены зональные экологические группы, которые 
по режиму увлажнения подразделяются на ряды аморфных, полугидроморфных и гидроморфных почв [30].
Зонально-экологическая группа таежно-лесных почв включает 
подзолистые, дерново-подзолистые, болотно-подзолистые, осушенные, торфяные низинные, дерново-подзолистые альфегумусовые, дерново-карбонатные, дерновые литогенные, дерново-глеевые и некоторые другие.
Группа буроземных почв включает бурые лесные почвы (буроземы), подзолисто-бурые лесные, бурые лесные глеевые и некоторые другие.
Группа лесостепных почв включает серые лесные, серые лесные 
глеевые, черноземы глинисто-иллювиальные, лугово-черноземные, 
лугово-болотные, черноземно-луговые и некоторые другие.
Группа степных почв включает черноземы, черноземы слитые 
постирригационные, лугово-черноземные, степные литогенные 
песчаные, лугово-болотные, солонцы черноземные, солонцы лугово-черноземные, солоди и некоторые другие.
Группа сухостепных почв включает каштановые, лугово-каштановые почвы, каштаново-луговые, степные литогенно-песчаные 
и супесчаные, солонцы каштановые, солонцы лугово-каштановые, 
солоди, солончаки гидроморфные.

Группа полупустынных почв включает бурые полупустынные 
почвы, лугово-бурые полупустынные, луговые, бурые полупустынные орошаемые и другие.
Группа полупустынных субтропических почв включает сероземы, лугово-сероземные, луговые полупустынные, сероземы ирригационные.
Группа пустынных почв включает серо-бурые пустынные почвы, 
серо-бурые орошаемые почвы, такыровидные пустынные, луговопустынные, такыры и другие.
Группа кустарниково-степных почв включает сухо-коричневые 
почвы, лугово-серо-коричневые почвы, луговые.
Группа ксефито-лесных почв включает коричневые почвы, 
луго-коричневые, луговые почвы.
Группа влажно лесных почв включает желтоземы, красноземы 
глеевые, желтоземно-подзолистые, подзолисто-желтоземно-глеевые.

1.2. СТРОЕНИЕ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ПОЧВЫ

Каждый вид почвы представляет собой трехфазную дисперсную 
среду (риc. 1.1), состоящую из твердых, жидких и газообразных 
частиц, раздробленных и перемешанных между собой.
В почве содержатся также растительные остатки (корни и стебли 
растений) и живые организмы растительного и животного происхождения.
Так как промежутки между твердыми частицами заполнены 
водой и воздухом, от соотношения жидкой и газообразной фаз 
в большой степени зависят технологические свойства почвы. Чем 
больше в почве воды, тем меньше воздуха и наоборот. Твердая 
фаза почвы — это «скелет», содержащий каменистые включения 
(частицы более 1 мм) и мелкоземы (частицы до 1 мм). В зависимости от диаметра каменистых включений различают крупный 
песок (1–3 мм), мелкий хрящ (3–5 мм), крупный хрящ (5–10 мм), 
мелкий щебень (1–3 см), средний щебень (3–5 см), крупный щебень (5–10 см), камни (10 см и более).
Каменистые включения в почве вызывают ускоренный износ 
и поломку рабочих органов почвообрабатывающих машин. Отношение массы «скелета» к массе мелкозема в процентах характеризует каменистость. Почвы бывают не каменистые (менее 0,5% 
камней), слабокаменистые (0,5…5,0% камней), среднекаменистые 
(5…10% камней) и сильнокаменистые (более 10% камней). Гранулометрический состав почвы определяют по результатам анализа 
мелкозема. При таком анализе почвенные частицы условно делят 
на физический песок (частицы более 0,01 мм), физическую глину 
(от 0,01 до 0,0001 мм) и коллоидные частицы (менее 0,0001 мм).

В зависимости от содержания физической глины почвы классифицируют на глину или глинистые (более 50% физической глины), 
суглинок или суглинистые (от 50 до 20% глины), супесь или супесчаные (от 20 до 10% глины) и песок или песчаные (менее 10% 
глины).
В глинистых частицах содержатся цементирующие вещества, 
обеспечивающие связность почв. Почвы, содержащие много глинистых частиц, относятся к тяжелым. Во влажном состоянии они 
налипают на рабочие органы машин, а в сухом — образуют глыбы. 
В таких почвах растительные остатки и органические удобрения 
разлагаются медленно. Эти почвы плохо поглощают влагу, но хорошо ее удерживают.
Почвы, содержащие много песчаных частиц, относятся к легким. 
Они нелипки, непластичны, легко крошатся, хорошо поглощают 
влагу, но плохо ее удерживают. В них быстро разлагаются растительные остатки и удобрения.

Риc. 1.1. Строение и фазовый состав почв