Сцепное устройство
COUPLING DEVICE

Предлагаемое решение относится к сельскохозяйственному машиностроению, а именно к сцепкам для соединения навесных плугов с тяговыми машинами (мотоблоками, минитракторами и пр.).
Известны различные варианты сцепных устройств (сцепок). Так для буксировки автомобилями прицепов применяется тягово-сцепное устройство (фаркóп) различных конструкций, для соединения железнодорожных вагонов используют железнодорожное автоматическое сцепное устройство, позволяющее обеспечивать сцепление единиц подвижного состава без участия (либо при минимальном участии) человека. Такие сцепные устройства не могут обеспечить правильного положения сельскохозяйственного оборудования, если их применять на тракторах и мотоблоках.
Присоединение сельскохозяйственного оборудования к тракторам и мотоблокам обеспечивается специальными сельскохозяйственными сцепными устройствами, которые значительно различаются в зависимости от назначения сельскохозяйственного оборудования. Широко известны двух и трехточечные навесные сцепные устройства тракторов, которые использовать на мотоблоках не удается из-за значительных размеров и массы этих механизмов. Для подсоединения к мотоблоку или мини трактору лемешно-отвального плуга используются сцепные устройства позволяющие обеспечить либо жесткое крепление плуга на раме мотоблока (минитрактора), либо подвижное крепление. При этом подвижное крепление позволяет в небольших пределах поворачиваться сцепному устройству относительно шкворня.
Известна навеска плуга для тракторов [1], которая позволяет уравновешивать плуг (устранять боковые силы и крутящие моменты относительно вертикальной оси, разворачивающие тяговую машину), установленный на тракторе со значительным смещением в бок от продольной средней вертикальной плоскости трактора (от плоскости симметрии). К недостаткам этого устройства относятся необходимость использования сошникового поворотного диска, расположенного на таком же удалении от трактора, что и плуг, и связанные с этим большие габариты устройства, повышенная стоимость и сложность в его использовании на мотоблоках и минитракторах, когда отсутствует необходимость смещения плуга вбок от продольной средней вертикальной плоскости тяговой машины. Кроме этого за счет введения сошникового поворотного диска, разрезающего грунт в стороне от плуга, увеличивается сопротивление при вспашке.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является универсальная сцепка для установки навесного оборудования (фиг.1) [Д2, Д3], содержащая соединительную скобу с отверстиями на полках скобы (на фиг. 1 не показана), которая своей стенкой жестко закреплена на тяговом агрегате, центральный брус, на первом конце которого жестко закреплена проушина, которая с помощью шкворня закреплена в отверстиях скобы, на втором конце бруса расположены элементы крепления стойки плуга. При присоединении к указанной сцепке уравновешенного плуга он двигается за мотоблоком в продольной плоскости симметрии. Стоит пояснить, что при движении плуга в земле во время вспашки на плуг действуют несколько горизонтальных сил. Основные из них: 1) тяговая сила мотоблока, 2) сила со стороны лемеха и отвала, 3) сила со стороны полевой доски. Полевая доска введена в конструкцию плуга для того, чтобы сила, действующая со стороны полевой доски в поперечном направлении, уравновешивала силу, действующую со стороны лемеха и отвала. В этом случае центральный брус (поз. 2) сцепки находится в продольной вертикальной плоскости симметрии мотоблока и на мотоблок не действуют поперечные силы со стороны плуга (так как общая поперечная составляющая сил равна нулю), мотоблок движется прямолинейно без усилий человека.
Уравновешенности плуга добиваются выбором размеров и наклона составных частей плуга (лемех, отвал, полевая доска и пр.) при его изготовлении и поворотом стойки плуга в горизонтальной плоскости. Конкретный плуг может оказаться уравновешенным под один вид почвы и режим вспашки и неуравновешенным под другой тип почвы и режим вспашки. Под каждую почву и режим вспашки приходится по-своему уравновешивать плуг. Известная сцепка не позволяет обеспечивать регулировку угла поворота плуга относительно центрального бруса сцепки в горизонтальной плоскости. Из-за этого на определенных почвах и при определенных режимах вспашки (различной глубине, ширине пласта, скорости обработки земли) поперечные горизонтальные составляющие сил, действующих со стороны лемеха и отвала, оказываются не равными по величине противоположно направленной поперечной горизонтальной составляющей силы, действующей со стороны полевой доски. Разностная составляющая указанных сил будет сдвигать плуг в сторону, изменяя ширину пласта, а иногда поворачивая сцепку на предельный угол и разворачивая мотоблок. Чтобы удержать мотоблок в прямолинейном движении человеку приходится прикладывать значительные усилия и уменьшать глубину вспашки.
Уравновесить плуг можно его поворотом относительно центрального бруса сцепки в сторону, противоположную его отклонению при вспашке (при отклонении плуга влево его поворачивают по часовой стрелке, а при отклонении вправо – против часовой стрелки).
Рассмотрим плуг с правым отвалом. В случае, когда поперечная горизонтальная составляющая силы со стороны полевой доски оказывается меньше поперечной горизонтальной составляющей силы, действующей со стороны лемеха и отвала, плуг сдвигается влево. Если при этом плуг повернуть по часовой стрелке, то усилия на полевой доске возрастут, а на лемехе и отвале уменьшатся. Изменяя угол поворота плуга в горизонтальной плоскости, изменяется разностная составляющая между горизонтальными поперечными составляющими сил, действующими со стороны полевой доски и со стороны лемеха с отвалом. При определенном угле поворота плуга разностная составляющая становится равной нулю (плуг оказывается уравновешенным).
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение автоматического уравновешивания плуга при вспашке.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной универсальной сцепке, содержащей соединительную скобу с отверстиями на полках скобы, которая своей стенкой жестко закреплена на тяговом агрегате, центральный брус, на первом конце которого жестко закреплена проушина, которая с помощью шкворня закреплена в отверстиях скобы, на втором конце бруса расположены элементы крепления стойки плуга, согласно заявляемому изобретению, на втором конце центрального бруса шарнирно закреплен вертикальный цилиндр, имеющий возможность вращения относительно своей оси и имеющий продольное отверстие, в котором закреплена стойка плуга, к цилиндру одним концом жестко присоединен шатун, другой конец которого шарнирно соединен с первым концом коромысла, которое вторым концом шарнирно соединено со скобой на удалении в поперечном направлении от отверстия скобы для крепления проушины центрального бруса.
Предлагаемое решение обеспечивает автоматический поворот плуга в горизонтальной плоскости при отклонении его траектории движения от запланированного положения борозды, обеспечивая постоянное нахождение плуга на месте запланированного положения борозды. В дальнейшем такое положение плуга будем считать исходным. В исходном положении плуг движется в продольной плоскости строго за проушиной сцепного устройства.
l
Для поддержания нахождения плуга в исходном положении на втором конце центрального бруса шарнирно закреплен вертикальный цилиндр, имеющий возможность вращения относительно своей оси и имеющий продольное отверстие, в котором закреплена стойка плуга, к цилиндру одним концом жестко присоединен шатун поз. 6 (см. фиг.2), другой конец которого шарнирно соединен с первым концом коромысла 5, которое вторым концом шарнирно соединено со скобой на удалении  в поперечном направлении от отверстия скобы поз. 4 для крепления проушины центрального бруса поз. 2. При уравновешенном плуге на него будут действовать одинаковые по величине, но противоположно направленные поперечные силы: одна - со стороны лемеха и отвала; другая - со стороны полевой доски. При этом результирующая составляющая поперечных сил будет равна нулю, центральный брус сцепки ни куда отклоняться не будет, а плуг относительно тягового устройства будет находиться в исходном положении.
1
2
2
1
1.
1
2
1
2
l
Если при вспашке грунта лемешно-отвальным плугом горизонтальная составляющая поперечной силы, действующая со стороны лемеха и отвала, окажется больше горизонтальной поперечной составляющей силы, действующей со стороны полевой доски, то плуг сместится влево и повернет центральный брус в шарнире A по часовой стрелке на угол α. Тогда коромысло поз. 5 потянет шатун и повернет цилиндр с шатуном и закрепленным плугом поз. 6 на угол α вокруг оси цилиндра по часовой стрелке. Угол поворота цилиндра αотносительно центрального бруса зависит от длины бруса 2, шатуна 6, коромысла 5, расстояния  и угла αи может оказаться больше угла поворота бруса α Угол поворота цилиндра, а, соответственно и плуга, относительно плоскости симметрии будет равен сумме углов α+α. При повороте плуга по часовой стрелке возрастает сила, действующая на плуг со стороны полевой доски, которая возвращает плуг в исходное положение, уменьшая углы α и α до нуля.
1
Если при вспашке грунта лемешно-отвальным плугом горизонтальная составляющая поперечной силы, действующая со стороны лемеха и отвала, окажется меньше горизонтальной поперечной составляющей силы, действующей со стороны полевой доски, то плуг сместится вправо и повернет центральный брус в шарнире A против часовой стрелки на угол α, что вызовет движение остальных звеньев сцепного устройства, возвращающих плуг в исходное положение.
Таким образом, в предлагаемом устройстве плуг будет двигаться без поперечного смещения относительно исходного положения и при попытках отклонить его в сторону вызовет силы, возвращающие его в исходное положение.
1
2
1
2
l
Соотношение между углами α и α при работе устройства зависит от соотношения длин центрального бруса, шатуна, коромысла и расстояния между шарнирами A и D. С целью плавного изменения чувствительности устройства (соотношения углов поворота центрального бруса αи плуга α) рекомендуется шатун и/или коромысло исполнять с возможностью изменения их длины, например, за счет составной конструкции указанных элементов, соединенных талрепом.
Сущность предложенного устройства поясняется рисунками. На фиг. 1 показана существующая сцепка, у которой имеется центральный брус (поз. 2), на одном конце которого установлена проушина (поз. 1), которая с помощью шкворня крепится к раме мотоблока через отверстия на полках соединительной скобы (на фиг. 1 не показана), которая своей стенкой жестко закреплена на раме тягового агрегата. При этом обеспечивается поворот сцепки относительно проушины. На втором конце бруса расположены элементы крепления стойки плуга (поз. 3).
A
B
C
D
D
А
l
1
2
1+
2
На фиг. 2 показана кинематическая схема предлагаемого устройства. К раме мотоблока с соединительной скобой (поз. 4) через проушину (поз. 1) шарнирно закреплен центральный брус (поз. 2) в кинематической паре . На другом конце центрального бруса шарнирно закреплен цилиндр с шатуном (поз. 6) в кинематической паре , обеспечивающей возможность вращения цилиндра вокруг своей оси. В цилиндре имеется отверстие с элементами крепления стойки плуга  (поз. 3). Между шатуном и рамой мотоблока установлено коромысло (поз. 5) в шарнирных кинематических парах  и . При этом шарнир  удален от шарнира  в поперечном направлении на расстояние . При повороте центрального бруса относительно оси проушины на угол α, цилиндр с плугом относительно центрального бруса поворачивается на угол α, а относительно исходного положения на существенно больший угол (αα).
1
1+
2
В предложенной сцепке устанавливается плуг. Для этого стойку плуга пропускают через отверстие в поворотном цилиндре и закрепляют стойку элементами крепления (болты, клинья и пр.), обеспечивая угол схождения между полевой доской плуга и центральным брусом в горизонтальной плоскости от нуля до 3-х градусов. Сцепку с плугом крепят на скобе мотоблока шкворнем, проходящим через проушину и отверстия в скобе. Коромысло шарнирно закрепляют на скобе либо раме мотоблока, например, другим шкворнем. Приступают к вспашке земли. Если плуг окажется уравновешенным, то он будет двигаться строго за проушиной центрального бруса (исходное положение плуга). Если же плуг окажется неуравновешенным при встрече с твердыми слоями грунта, то разностная горизонтальная составляющая поперечной силы, действующей со стороны лемеха и отвала и со стороны полевой доски, сместит плуг в сторону меньшей силы, например, в сторону полевой доски. При этом центральный брус повернется на угол α. Поворот центрального бруса вызовет поворот плуга на больший угол (αα), при этом произойдет перераспределение боковых сил, действующих на плуг, и его смещение к исходному уравновешенному положению.
Таким образом, предложенное сцепное устройство будет автоматически уравновешивать плуг за счет его поворота в горизонтальной плоскости и стремиться установить плуг строго за проушиной центрального бруса при отклонении плуга от исходного положения.
Список использованных источников
1. GB673099А. Plough Attachment for Tractors. URL: https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/010147466/publication/GB673099A?q=pn%3DGB673099A (дата обращения 12 октября 2020).
2. Универсальная сцепка для установки навесного оборудования. URL: https://bmw-trade.ru/images/detailed/6/r0026.jpg (дата обращения 12 октября 2020).
3. Сцепка для установки навесного оборудования. URL: https://caim-shop.ru/scepka-caiman-dlya-ustanovki-navesnogo-oborudovaniya-quatro-max (дата обращения 12 октября 2020).