Теория и расчет технологических параметров сельскохозяйственных машин

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент научно-технологической политики и образования

Федеральное государственное бюджетное образовательное 

учреждение высшего образования

«Волгоградский государственный аграрный университет»

Кафедра «Технические системы в агропромышленном комплексе»

В.Е. БЕРДЫШЕВ, А.Н. ЦЕПЛЯЕВ, М.Н. ШАПРОВ

А.В. ХАРЛАШИН, А.В. СЕДОВ

В.А. ЦЕПЛЯЕВ, И.Б. БОРИСЕНКО

ТЕОРИЯ И РАСЧЁТ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН

Учебное пособие

Учебное пособие содержит сведения, необходимые для формирования 

профессиональных компетенций при подготовке бакалавров

и магистров по направлению «Агроинженерия» и рекомендуется

Научно-методическим советом по технологиям, средствам 

механизации и энергетическому оборудованию в сельском хозяйстве 

Федерального УМО по сельскому, лесному и рыбному хозяйству

для использования в учебном процессе

Волгоград

Волгоградский ГАУ

2018

УДК 631.31/36:62(07)
ББК 40.72я73
Т-33

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор кафедры «Транспортные машины и двигатели» ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет» В.М. Славуцкий; доктор технических наук, профессор
кафедры технологии, экономики образования и сервиса 

ФГБОУ 
ВО
«Волгоградский
государственный 
социально
педагогический университет» А.М. Каунов

Т-33
Теория и расчёт технологических параметров сельскохозяйственных машин: учебное пособие / В.Е. Бердышев А.Н. Цепляев, М.Н. Шапров, А.В. Харлашин, А.В. Седов, В.А. Цепляев, 
И.Б. Борисенко. – Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 
2018. – 112 с.

ISBN 978-5-4479-0162-2

В учебном пособии рассматриваются вопросы теории и расчета 

основных технологических параметров сельскохозяйственных машин.
Рассмотрены теоретические вопросы, касающиеся плугов, культиваторов, сеялок и других машин. Кроме этого, представлено теоретическое обоснование основных агрегатов зерноуборочного комбайна таких, как мотовила, режущего аппарата, молотильного барабана, соломотряса.

Пособие предназначено обучающимся по направлению подготов
ки «Агроинженерия».

УДК 631.31/36:62(07)

ББК 40.72я73

ISBN 978-5-4479-0162-2
© ФГБОУ 
ВО 
«Волгоградский 

государственный аграрный университет», 2018

© Авторы, 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ..............................................................................................
5

1. Почва как объект обработки сельскохозяйственными 
орудиями .............................................................................................
7

1.1. Механический состав и структура почвы ..................................
7

1.2. Физико-механические свойства почвы ......................................
8

1.3. Технологические свойства почвы ...............................................
9

2. Взаимодействие клина с почвой ................................................. 14
2.1. Разновидности клина ...................................................................
14

2.2. Взаимосвязь углов в трехгранном клине ...................................
17

2.3. Деформация почвы под воздействием клина ............................
18

2.4. Разрушение почвы клином согласно 
теории В.П. Горячкина ........................................................................ 19
3. Основы теории плуга .................................................................... 21
3.1. Рабочая поверхность плуга – развитие косого 
трехгранного клина .............................................................................
21

3.2. Математические поверхности – основа для построения 
лемешно-отвальных поверхностей .................................................... 23
3.3. Способы построения лемешно-отвальных поверхностей ........ 25
4. Силовые характеристики плугов, динамика 
изменения их работы ........................................................................
27

4.1. Силы, действующие на корпус плуга ......................................... 27
4.2. Способы соединения плугов с трактором .................................. 29
4.3. Условия равновесия плугов в вертикальной
и горизонтальной плоскостях ............................................................. 30
4.4. Рациональная формула В.П. Горячкина. КПД плуга ................ 32
5. Теория зубовых борон ................................................................... 34
5.1. Классификация зубовых борон, их основные 
характеристики ....................................................................................
34

5.2. Пример построения зубового поля бороны и подбор 
схемы расстановки рабочих органов ................................................. 35
6. Основы теории культиваторов ................................................... 39
6.1. Выбор параметров рабочих органов культиваторов ................. 39
6.2. Условия подрезания сорняков со скольжением вдоль лезвия ..... 41
6.3. Условие равновесия при работе культиваторных лап для
установившегося движения в продольно-вертикальной плоскости ... 43
7. Теория дисковых орудий .............................................................
49

7.1. Назначение, виды и задачи, решаемые
дисковыми орудиями ..........................................................................
49

7.2. Расчет основных параметров дисков .......................................... 51
7.3. Тяговое сопротивление дисковых орудий .................................
55

7.4. Условия равновесия машин в горизонтальной плоскости .......
57

8. Основы теории посевных машин ............................................... 60
8.1. Технологические свойства семян ...............................................
60

8.2. Определение параметров семенных ящиков .............................
62

8.3. Определение параметров катушечного высевающего 
аппарата ................................................................................................ 63
8.4. Основы теории сошников. Равновесие сошников ..................... 67
9. Мотовило и его совместная работа с режущим аппаратом ...... 72
9.1. Уравнение движения планки мотовила ...................................... 72
9.2. Коэффициент воздействия планки мотовила на стебли ........... 75
9.3. Анализ взаимодействия мотовила и режущего аппарата ......... 78
9.4. Аналитическое определение радиуса мотовила ........................ 79
10. Теория режущего аппарата .......................................................
81

10.1. Назначение режущих аппаратов, классификация 
по способу среза ..................................................................................
81

10.2. Факторы, влияющие на работу режущего аппарата ...............
82

10.3. Определение скорости относительного движения ножа ........ 86
10.4. Силы, действующие на нож ......................................................
87

10.5. Мощность на привод ножа режущего аппарата ...................... 89
11. Теория и расчет молотильных аппаратов .............................. 91
11.1. Силовые характеристики связи зерна с колосом ..................... 91
11.2. Способы обмолота зерновых культур ...................................... 92
11.3. Основные факторы, влияющие на работу бильного
молотильного аппарата ....................................................................... 94
11.4. Процесс работы бильного молотильного аппарата ................. 95
11.5. Основное уравнение молотильного барабана. Анализ 
уравнения .............................................................................................
96

11.6. Уравновешивание барабана ....................................................... 98
12. Теория и расчет соломотряса .................................................... 101
12.1. Назначение клавишного соломотряса. Факторы, 
влияющие на его работу ..................................................................... 101
12.2. Определение параметров клавишного соломотряса ............... 104
Список использованной литературы ............................................ 110

ВВЕДЕНИЕ

Подготовка специалистов для сельскохозяйственного производ
ства имеет высокую актуальность и социальную значимость. Важным 
направлением в их подготовке является изучение дисциплины «Основы теории и расчета сельскохозяйственных машин», которая связана с 
комплексной механизацией производственных процессов и применением новых высокоэффективных машин в растениеводстве. 

В данном учебном пособии рассматриваются основы теории и

расчета рабочих органов сельскохозяйственных машин и особенности 
технологических процессов, раскрываются основные закономерности, 
связывающие качество работы и расход энергии с технологическими 
свойствами обрабатываемых материалов, т.е. те вопросы, которые 
необходимо знать специалисту для решения практических задач.

Каждый раздел учебного пособия охватывает группу машин, 

объединенных общностью выполняемых ими технологических процессов и операций, которые изложены в традициях школы академика 
В.П. Горячкина, заложенных в земледельческой механике. Учитывая, 
что марки машин часто меняются, а принципы их действия остаются 
без существенных изменений, в основу учебного пособия положены 
особенности технологических процессов рабочих органов и машин. 

Земледельческая механика – это прикладная техническая дис
циплина, изучающая законы теоретической механики  применительно  
к анализу работы сельскохозяйственных машин, т.е. воздействию рабочих органов сельскохозяйственных машин на объекты обработки 
(почву, растения, удобрения, семена и т.п.). Физико-механические 
свойства объектов обработки обуславливают форму, размеры и конструкцию рабочих органов сельскохозяйственных машин и, в конечном итоге, влияют на технологический процесс машины.

Основоположником теории сельскохозяйственных машин яв
ляется русский ученый, академик ВАСХНИЛ В.П. Горячкин (18681935), впервые открывший эту область прикладных знаний. В своем классическом труде «Земледельческая механика», вышедшем в 
1923 году, он впервые применил законы механики для анализа рабочих органов сельскохозяйственных машин и тем самым открыл 
широкие возможности использования этих законов в целях создания рациональных конструкций и определении оптимальных режимов работы машин.

Благодаря классическим трудам В.П. Горячкина, трудам его по
следователей академиков ВАСХНИЛ В.А. Желиговского, И.Ф. Василенко, Н.Д. Лучинского, П.М Василенко, А.Н. Карпенко, М.В. Сабликова, М.Н. Летошнева, А.Н. Гудкова, А.Ф. Ульянова, Н.И. Кленина, 
В.А. Сакуна, Г.Е. Листопада, Э.И. Липковича и многих других в 
нашей стране сложилась стройная наука о сельскохозяйственных машинах, послужившая основой подготовки высококвалифицированных 
специалистов по механизации сельского хозяйства.

В.П. Горячкин видел в теории могучее средство познания зако
нов, которым следуют технологические процессы, выполняемые сельскохозяйственными машинами и орудиями. Знания этих законов позволяет управлять  процессами в целях получения наибольшего эффекта при изменяющихся условиях работы. 

В предлагаемом учебном пособии рассмотрены вопросы теории 

и расчета почвообрабатывающих машин, машин для посева и посадки, уборочных машин. Более глубокое изучение теории этих машин 
должно сопровождаться выполнением лабораторно-практических и 
расчетно-графических работ.

1 ПОЧВА КАК ОБЪЕКТ ОБРАБОТКИ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫМИ ОРУДИЯМИ

1.1 МЕХАНИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СТРУКТУРА ПОЧВЫ

Почва – многофазная дисперсная среда, состоящая из твердых, 

жидких и газообразных частиц, перемешанных между собой в различных соотношениях. Как объект обработки почва является материалом, 
обладающим разнообразными свойствами в зависимости от ее вида, 
структуры и состояния. Свойства почвы имеют решающее значение 
для оценки качественных и энергетических показателей технологических процессов, происходящих в почве под воздействием рабочих органов почвообрабатывающих машин.

Механический состав. В зависимости от размеров твердые ча
стицы почвы подразделяются на каменистые включения (размер частиц более 1 мм) и мелкозем (частицы размером менее 1 мм). При 
определении типа почвы по механическом составу анализируют только мелкозем и ориентируются на процентное содержание в почве физического песка и почвенной глины. Частицы размером менее 0,01 мм относят к почвенной глине, а более 0,01 мм – к физическому песку. По 
содержанию почвенной глины почвы получили различные наименования: глинистые (более 50% - глина), суглинистые (50-20% глины), 
супесчаные (20-10% глины) и песчаные (менее 10% глины).

Чем больше в почве содержится почвенной глины, тем труднее 

она обрабатывается. Суглинистые и супесчаные почвы по своим свойствам занимают промежуточное положение и сравнительно легко 
крошатся, хорошо поглощают и удерживают влагу, обладают высоким плодородием.

Структура почвы. Почва с точки зрения механической обра
ботки состоит из трех фаз: твёрдой, жидкой и газообразной. Твёрдая 
– скелет почвы (почвенная глина и физический песок), жидкая –
водные растворы солей, кислот и щелочей, газообразная – водяные 
пары, продукты жизнедеятельности микро и макроорганизмов. В 
процессе почвообразования происходит коагуляция и слипание первичных частиц, в результате чего образуются новые, более крупные 
агрегаты различного размера. Структурные образования размером 
0,25 мм принято условно называть микроагрегатами, а более крупные – макроагрегатами почвы. Считается, что при механической 
обработке почвы нельзя допускать ее разрушения до частиц менее 
0,25 мм, так как это приводит к разрушению структурных агрегатов,
ветровой и водной эрозиям почв.

1.2 ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ

Применительно к целям обработки различают физические свой
ства почвы. Основные физические свойства почвы – влажность, 
скважность, плотность, структура, каменистость и т.д.

Коэффициент структурности почвы служит ее оценкой после 

обработки. Его определяют по зависимости:

2

1

m
m
k 
,

где m1 и m2 – соответственно массы агрегатов размером 0,25…7 мм и 
остальной части почвы.

Абсолютная плотность почвы представляет собой отношение 

массы тγ абсолютно сухой искусственно уплотненной почвы к ее объему V, то есть:

V

m
 
.

Объемная масса представляет собой отношение массы тv абсо
лютно сухой почвы с ненарушенным сложением (включая поры) к ее 
объему V, то есть:

V
mv


.

Действительная объемная масса представляет собой отноше
ние массы почвы тв с имеющейся в ней влагой к ее объему V, то есть:

V
mв

Д 

.

Очевидно, что объемная масса и действительная объемная масса 

находятся в зависимости:

W

д


 1



,

где W – весовая влажность в долях.

У культурной пашни среднее значение плотности ρ = 1,0...1,1 г/см3

и зависит от количества перегноя в ней. При ρ = 1,2 г/см3 – почва уплотнена, а при 1,3...1,4 г/см3 сильно уплотнена.

Объем почвы, не занятой твердыми частицами, заполнен водой 

и воздухом. Наличие влаги оказывает большое влияние на свойства 
почвы и характер ее деформации под воздействием рабочих органов. 
Если вода заполняет 3/4 имеющихся в почве капиллярных скважин, то 
такая почва находится в благоприятном для крошения состоянии, которое называют «спелостью» почвы.

Абсолютная влажность почвы Wa характеризуется содержанием 

воды в единице веса сухого вещества и определяется по формуле:

100




c

c
в

a
m

m
m
W
,

где mв и mc - масса, соответственно влажной и сухой почвы, г.

Относительная влажность Wo определяется при сравнении 

влажности почв разного механического состава по формуле:

100



п

a

о
W
W
W
,

где Wn - полевая влагоемкость почвы – это количество воды, которое удерживает в себе обильно смоченная почва после стекания гравитационной влаги.

Оптимальной влажностью при обработке почвы можно считать: 

для подзолистой песчаной 12%, дерновоподзолистых суглинистых –
12…22%; черноземов – 17…30%.

Скважность (пористость) – это объем пустот в почве, запол
ненных водой и воздухом и определяемый из отношения объема пустот Vп к общему объему Vо исследуемой почвы:

100



о

п

V
V
p
.

Чем меньше диаметр твердых частиц, образующих почву, тем 

больше ее скважность. У глины и суглинистых почв она составляет 
50…60%, у песчаных почв 40…45%, у торфяников – 80…90%.

1.3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ

Свойства почвы, которые проявляются только в процессе ее об
работки и оказывают влияние на закономерности и характер протекания технологического процесса, называются технологическими. К 

ним относятся: способность к крошению, твердость, коэффициенты 
внешнего и внутреннего трения, сопротивления различного рода деформациями и т.д.

Способность почвы к крошению выражается отношением 

массы комков размером меньше 50 мм к массе почвы в пробе, выраженным в процентах. Пределом нецелесообразности обработки почвы 
считают количество пылевых частиц, близкое к 30% по объему.

Идеальной считается такая обработка почвы, когда на глубине 

заделки семян ее составные части достигают размеров 0,25-7 мм, что 
возможно только в состоянии физической спелости, то есть при оптимальной влажности.

Твердость почвы – способность сопротивляться внедрению в 

нее под давлением какого-либо твердого тела в виде конуса цилиндра 
или шара. Твердость – сравнительный показатель механических 
свойств почвы.

Для измерения твердости почв служат приборы – твердомеры. 

Наибольшее распространение получил твердомер конструкции 
Ю.Ю. Ревякина (рис.1.1).

Рисунок 1.1 – Твердомер:

а) схема твердомера: 1 – штанга; 2 – пружина; 3 – рукоятка; 4 – запи
сывающее устройство; 5 – деформатор (наконечник); 6 – опора; 

б) диаграммы твердомера: 1 – с цилиндрическим наконечником; 2 – с 

коническим наконечником

Для твердомеров стандартом предусматривается применение 

наконечников конической формы двух размеров: с площадью основания 1 см2 и углом при вершине 2α=22°30' – для твердых почв и с площадью основания 2 см2 и углом 2α=30° - для рыхлых почв. Твердоме

ры снабжаются пишущим устройством, которое вычерчивает диаграмму Р=f(h) при внедрении наконечника в почву. На данной диаграмме (рис.1.2) можно выделить характерные участки. На участке ОА
сопротивление почвы растет пропорционально ее деформации (точка 
А – предел пропорциональности). На участке АВ возрастание деформации не вызывает увеличения силы, то есть почва продолжает деформироваться без увеличения давления на нее (точка В – предел текучести). На участке ВС смятие и уплотнение почвы происходит под 
воздействием на нее конусообразного ядра из сильно уплотненной 
почвы, который расклинивает нижерасположенные слои, встречая постоянное сопротивление (точка С – предел пластичности).

Рисунок 1.2 – Диаграмма твердомера

По данным этой диаграммы определяется стандартная твердость 

почвы по формуле:

S
q
h
p
п


,

где h – средняя ордината диаграммы твердомера, определяемая методом 
планиметрирования, см; qп – жесткость пружины, определяемая тарировкой, Н/см; S – площадь основания конуса, см2.

По диаграмме твердомера, кроме твердости почвы можно опре
делить предельное значение удельного давления или несущую способность почвы:

S
P
q
в

0
,

и коэффициент объемного смятия:

a

а
l
S
P
q


,

где Ра и Рв – силы, отвечающие соответственно пределу пропорциональности и пределу текучести, la – погружение плунжера в пределах пропорциональности, см.

Для жнивья, паров, лугов q = 5…10 Н/см3, для грунтовой дороги 

q = 50…90 Н/см3.

Трение почвы - это сопротивление скольжению одного тела 

относительно другого, с ним соприкасающегося (внешнее трение), 
или одних частиц одного и того же тела относительно других (внутреннее трение). Трение характеризуется силой трения или силой реакции, вызванной внешней силой, стремящейся создать скольжение одной поверхности относительно другой при нормальном давлении.

Сила трения определяется по формуле:


tg
N
N
f
F




,

где N – нормальная сила, Н; f и φ – соответственно коэффициент и угол 
трения.

Коэффициент трения f для разных почв колеблется от 0,25 до 

0,90, угол трения φ от 14° до 42°. Для ориентировочных расчетов принимают f = 0,5, что соответствует углу трения φ =26°30'.

Удельное сопротивление почв k принято в качестве показателя 

трудности обработки почв  и определятся по формуле:

n
b
a

P
k



,

где Р – общее сопротивление плуга, измеренное динамометром, Н; а - глубина пахоты, см; b - ширина захвата корпуса см; п - число корпусов плуга.