БОРОНА ДИСКОВАЯ

Предлагаемая полезная модель относится к сельскохозяйственному машиностроению, а конкретнее, к дисковым почвообрабатывающим орудиям и, в частности, к дисковым боронам.
Дисковые бороны, используемые для обработки почвы, имеют два варианта исполнения - батарейное, когда диски установлены на общей оси, и автономное, когда каждый диск установлен на отдельной стойке.
Большое распространение получили бороны с дисками на отдельной, автономной стойке.
Известны такие бороны (см. патент РФ №2185044 кл. А01В 21/08, 2002).
Борона содержит раму с несколькими рядами поперечных брусьев, на которых смонтированы вертикальные стойки с осями на концах, и установленные на осях с возможностью вращения сферические диски, при этом диски имеют регулируемый угол атаки, наклонены к вертикальной плоскости и расположены фронтально по ширине захвата; кроме того, диски на первом и втором брусьях установлены вогнутой или выпуклой сторонами соответственно в противоположные стороны и образуют первый парный ряд дисков, отличающееся тем, что в последующих соседних парных рядах диски установлены соответственно противоположно относительно дисков первого парного ряда, а каждый последующий диск смещен в поперечном направлении относительно предыдущего диска в сторону необработанной первым рядом дисков междисковой полосы земли на величину, равную частному от деления междискового расстояния на количество рядов.
Недостатком такой бороны является неуравновешенность и неудовлетворительное качество обработки почвы. Указанный недостаток обусловлен следующими обстоятельствами. Чтобы дисковая борона была сбалансирована и работала без «увода», т.е. прямолинейно, необходимо, чтобы сумма моментов поперечных и продольных сил, действующих на каждый диск, вокруг точки прицепа равнялась нулю. У дисковой бороны по патенту №2185044 сумма плеч сил, действующих на диски установленные в 1-ом и 4-ом рядах одной ориентации, равна сумме плеч сил, во 2-ом и 3-ем рядах противоположной ориентации. Однако, диски расположенные в первом ряду работают полностью по монолиту без сдвига почвы в предварительно открытую борозду и по этой причине силы, действующие на них, существенно больше сил, действующих на диски расположенные во 2-ом, 3-ем и 4-ом рядах, работающих со сдвигом почвы в сторону уже открытой борозды. Поэтому при равенстве суммы плеч, сумма сил, действующих на диски в 1-ом и 4-ом рядах, больше суммы сил, действующих во 2-ом и 3-ем рядах. Следовательно, сумма моментов сил, действующих на все диски бороны не равна нулю. Борона разворачивается на определенный угол в соответствии с величиной действующего момента сил,
а в итоге нарушается взаимное расположение дисков бороны в разных рядах, появляются необработанные полоски земли (огрехи).
Известна борона дисковая (см. патент РФ на изобретение №2292695 кл. А01В 21/08, 2005) - прототип.
ч
Дисковая борона содержит раму с поперечными балками, на которых на равных расстояниях, консольно, с возможностью синхронного изменения угла атаки дисков на каждом ряду, на индивидуальных стойках, наклонно к горизонтали, на осях установлены сферические диски, обращенные вогнутостью в сторону направления движения и ориентированные идентично в каждом ряду. Борона содержит четыре ряда дисковых рабочих органов, при этом вогнутость дисков каждого последующего ряда противоположна вогнутости дисков предыдущего ряда, причем диски четных рядов смещены относительно предыдущих рядов на расстояние Δ=2t±0,1D,
где t - частное от деления междискового расстояния в ряду L на количество рядов n и
з
D - диаметр диска, а диски третьего ряда смещены относительно дисков предыдущего ряда на расстояние Δ=t±0,1D.
По мнению авторов, это позволяет бороне двигаться прямолинейно, что и позволяет улучшить крошение обрабатываемой почвы.
Однако, в этом устройстве имеется дисбаланс разворачивающих борону моментов, обусловленный разностью суммы плеч поперечных сил, действующих вокруг точки прицепа на диски разной ориентации по отношению к направлению движения.
В этой бороне в отличие от бороны по патенту №2185044 силы уравнялись, за счет установки дисков второго ряда на достаточно большое расстояние от следов дисков в первом ряду, не позволяющее сдвигать увеличенную ширину почвы между дисками первого и второго ряда в борозду открытую дисками первого ряда. Это значит, что диски второго ряда фактически тоже работают по монолиту также как диски первого ряда. Следовательно, сумма сил в 1-ом и 4-ом рядах равна сумме сил во 2-ом и 3-ем рядах. Однако, в этой бороне сумма плеч сил дисков 1-го и 3-го рядов существенно меньше суммы плеч сил, действующих на диски во 2-ом и 4-ом рядах. Это вызывает появление разворачивающего момента. А в итоге имеем неравенство суммы плеч сил дисков разной ориентации вокруг точки прицепа, т.е. возникает дисбаланс сил, что ухудшает технологическую надежность и качество крошения почвы.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение устойчивости хода бороны в горизонтальной плоскости и улучшение степени проработки почвы по всей ширине захвата бороны, исключающей огрехи между дисками, обрабатывающими смежные полосы земли, т.е. улучшение качества обработки почвы.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Известны следующие условия:
1. Равновесие дисковой бороны в горизонтальной плоскости достигается, если сумма сил, действующих в направлении движения
бороны ∑Х и поперечных сил ∑Y будет равна нулю, а также сумма моментов всех сил относительно точки прицепа «0» в горизонтальной плоскости тоже будет равна нулю, т.е.
1. (сумма сил, действующих в направлении движения бороны);
2.  (сумма поперечных сил);
3.  (сумма моментов сил в горизонтальной плоскости относительно точки прицепа «0»).
2. Сопротивление почвы дисковым рабочим органам в первом ряду, работающим в плотной почве (в монолите), где не происходит сдвиг почвы в предварительно открытую борозду, выше, чем у дисков второго ряда, которые могут работать как в открытую борозду со сдвигом почвы, так и в нетронутой плотной почве, если их след достаточно далеко отстоит от борозды, проложенной дисками первого ряда (Г.Н.Синеоков, И.М.Панов. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. М., «Машиностроение», 1977, стр.231).
Для реализации целей стабилизации движения бороны и улучшения качества крошения почвы, с учетом указанных условий, а, следовательно, достижения технического результата, определены координаты взаимного расположения дисков во всех рядах (обоснование и расчет см. в «Приложении»), которые обеспечивают работу дисков первого и второго рядов по нетронутой почве (монолиту), реализуя условие , и положение дисков третьего и четвертого рядов - условие проработки почвы по всей ширине захвата бороны, что исключает огрехи между дисками, обрабатывающими смежные полосы земли.
Сущность полезной модели представлена схемой бороны дисковой. На фиг.1 изображена заявляемая борона (вид сверху), где схематично показана расстановка сферических дисков в рядах и указано соотношение, по которому диски в последующих рядах делят междисковое расстояние по ширине захвата между дисками первого ряда. Борона дисковая (фиг.1) содержит поперечные брусья 1, 2, 3 и 4, образующие вместе с дисками и стойками 7 четыре ряда бороны. Эти брусья соединены жестко с боковыми брусьями 5 и 6 и образуют в совокупности раму бороны.
На поперечном брусе 1 на отдельных стойках 7 установлены сферические диски 1-го ряда 8 и 12 с междисковым расстоянием b. Смежный диск 9, по отношению к диску 8, расположен справа и размещен в 4-ом ряду, диск 11, смежный диску 12, - слева в 3-ем ряду, а диск 10, смежный по отношению к дискам 9 и 11, расположен между ними по середине (b/2) во 2-ом ряду (фиг.1).
1
Пары дисков, не работающие на отрыв и сдвиг почвы в открытую борозду между дисками 10 и 11, ориентированными в одну сторону, и дисками 9 и 10, ориентированными друг к другу внешней сферой, расположены друг от друга на расстоянии b=0,2b (фиг.2а, 2b). При этом следует иметь в виду, что диск 11 на 3-ем ряду идет сзади диска 10 на 2-ом ряду. Поэтому почва между ними не сдвигается ни диском 10, работающим по монолиту, ни диском 11, сдвигающим почву не в сторону диска 10, а в сторону диска 12 (фиг.2а).
1
1
Пара дисков 11 и 12 ориентирована внутренней сферой друг к другу и диск 11 сдвигает почву в сторону борозды, оставляемой впереди идущим смежным диском 12 (фиг.2с). Следовательно, у этой пары возможно увеличить расстояние между дисками до величины 1,5 b=0,3b. Пара дисков 8 и 9 (фиг.2d) ориентирована в одну сторону и притом диск 11 сдвигает почву в сторону открытой борозды диском 12. Поэтому и у этой пары (диски 8 и 9) расстояние между дисками равно 1,5 b=0,3b (фиг.2d).
Такое взаимное расположение дисков, с указанными расстояниями между смежными дисками, повторяется по всей ширине захвата бороны, а это дает равенство действующих сил на диски одной ориентации (ряды 1 и 4) и сил на диски противоположной ориентации (ряды 2 и 3) при равенстве суммы их плеч. Поэтому условие  выполняется, борона устойчива в горизонтальной плоскости. Все это стабилизирует в процессе движения положение устройства и обеспечивает проработку почвы по всей ширине захвата, что исключает огрехи между дисками и в результате улучшается качество крошения почвы, т.е. достигается технический результат.
Полезная модель промышленно применима и может быть изготовлена в условиях завода или другого промышленного предприятия.
Известны следующие условия:
1. Равновесие дисковой бороны в горизонтальной плоскости достигается, если сумма сил, действующих в направлении движения бороны ∑X и поперечных сил ∑Y будет равна нулю, а также сумма моментов всех сил относительно точки прицепа «0» в горизонтальной плоскости тоже будет равна нулю, т.е.
1.  (сумма сил, действующих в направлении движения бороны);
2.  (сумма поперечных сил);
3.  (сумма моментов сил в горизонтальной плоскости относительно точки прицепа «0»).
2. Сопротивление почвы дисковым рабочим органам в первом ряду, работающим в плотной почве (в монолите), где не происходит сдвиг почвы в предварительно открытую борозду, выше, чем у дисков второго ряда, которые могут работать как в открытую борозду со сдвигом почвы, так и в нетронутой плотной почве, если их след достаточно далеко отстоит от борозды, проложенной дисками первого ряда (Г.Н. Синеоков, И.М. Панов. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. М., «Машиностроение», 1977, стр.231).
Следовательно, первая задача состоит в том, что надо определить координаты взаимного расположения дисков первого и второго рядов, которые обеспечивали бы работу этих дисков в нетронутой плотной почве (монолите), где не может происходить сдвиг почвы в сторону борозды, проложенной дисками первого ряда.
1
n
Допустим, что ширина полосы почвы, обрабатываемой дисками первого ряда без сдвига почвы равна b с учетом диаметра диска D, агротехнически допустимой высоты продольного гребня h, угла атаки а и угла наклона диска к вертикальной плоскости ß (фиг.1, 2).
n
Известно, что действительная величина h на дне борозды будет близка к теоретической лишь при обработке пластичной почвы (Ф.М.Конарев. Ротационные почвообрабатывающие машины и орудия. М. «Машиностроение», 1983, стр.87). При обработке почвы в реальных условиях продольный гребень между соседними дисками в разных рядах, обрабатывающих смежные полосы земли, дополнительно разрушается за
1
счет сдвига или отрыва почвы диском, стоящим под углом атаки α. Это значит, что действительная ширина обработки почвы в условиях обработки почвы со сдвигом в открытую борозду увеличивается и принимает новое значение b'(b'>b).
доп
1
доп
1
n
1
Из этого утверждения вытекает очередная задача - определить минимально допустимое расстояние b между диском 12 первого ряда и диском 10 второго ряда (фиг.1), которое обеспечивало бы работу диска 10 в таких же условиях (в монолите), что и диск 12 в первом ряду. Это расстояние больше b, т.е. b>b. Если радиус диска R=(D/2), угол атаки α, угол наклона диска ß и допустимая высота продольного гребня h между обрабатываемыми смежными полосками земли дисками на первом и втором рядах по агротехническим допускам, то учетную ширину обработки почвы bможно определить из выражения:
, а отсюда
n
n
1
n
n
1
(см. Ф.М.Конарев. Ротационные почвообрабатывающие машины и орудия. М., «Машиностроение», 1983, стр.86). Если же в условиях сдвига почвы в сторону открытой борозды допустимую величину h увеличить в среднем в 2 раза (но не более чем 3,75 раза) (см. Ф.М.Конарев, там же, стр.87), то фактическая обрабатываемая ширина за счет дополнительного разрушения почвы b' определится из этого же выражения, но при удвоенном значении h. Соотношением b и b', найденных из одного и того же выражения (Ф.М.Конарев. Ротационные почвообрабатывающие машины и орудия. М., «Машиностроение», 1983, стр.86), но при значениях соответственно h и 2hравно 1,5, т.е. b'=1,5 b.
n
1
n
Например, при R=280 мм, α=15°, β=11° и h=40 мм - b=80 мм. При увеличении h в 2 раза b'=120 мм.
1
1
Следовательно b'=1,5b, а b=80 мм.
1
Из вышеизложенного видно, что диск 10 второго ряда должен отстоять от диска 12 первого ряда больше чем 1,5 b, т.е. в нашем примере больше чем 120 мм. Это условие обеспечит работу дисков второго ряда по монолиту.
1
Диски же 11 и 9 (фиг.1) третьего и четвертого рядов, которые работают сдвигая почву в борозды, открытые дисками первого ряда, могут обрабатывать тоже почву шириной 1,5 b, т.е. в данном случае 120 мм.
1
1
Таким образом, ширина обработки почвы дисками 8 и 12 первого и 10 второго рядов - b, а дисками 11 третьего и 9 четвертого рядов по 1,5 b(фиг.1).
1
1
1
При четырехрядном расположении дисков (фиг.1) общая ширина почвы, обрабатываемой четырьмя дисками, расположенными в разных рядах b=2 b+2·1,5 b=5 b (междисковое расстояние).
1
1
В нашем примере b=400 мм, b=0,2b=80 мм, 1,5 b=0,3b=120 мм.
Следовательно, такое взаимное расположение дисков на разных рядах обеспечивает работу дисков первого и второго рядов по нетронутой почве
(монолиту), обеспечивая условие  и , а смещение дисков третьего и четвертого рядов - условие проработки почвы по всей ширине захвата бороны, исключающей огрехи между дисками, обрабатывающими смежные полосы земли.