Рабочий орган для прецизионной обработки почвы
WORKING BODY FOR PRECISION SOIL CULTIVATION

Изобретение  относится к области сельскохозяйственного машиностроения, в частности к рабочим органам для обработки почвы.
Вспашка относится  к основной обработке почвы, которую выполняют плугами, конструкция которых включает  культурные, полувинтовые, винтовые  рабочие органы.
Известны рабочие органы, которые в процессе  вспашки укладывают  пласт на сторону или в собственную борозду [Пат. РФ № 188560, МПК А01В 49/02, 2019; Сакун В.А. Закономерности развития  мобильной с/х техники. - М.: Колос, 1994, с.134]. Гладкая вспашка,  при которой пласт укладывается в свою борозду, способствует  образованию  слитной и выровненной поверхности без свальных гребней и развальных борозд.
Первым известным орудием для гладкой вспашки был конный плуг [Pat. USA № 2125036. Plow / C.S. Stewart, - July 26, 1938]. Функцию отвала в данном плуге выполняет кожух, изготовленный в виде вырезной цилиндрической трубы, которая в передней части имеет горизонтальную режущую кромку, а в верхней - развитое крыло, перпендикулярное  движущемуся почвенного потоку. К днищу прикреплена установленная под углом полоса, которая должна давить на боковую грань пласта, заставляя его двигаться по трубе и укладываться обернутым в собственную борозду.
В 1962 году в США предложен однопластовый тракторный плуг [Pat. USA № 3063506. Plow / W.R. Bertelsen, - Nov. 13, 1962]. Рабочий орган  плуга выполнен в виде скрученного на 180° коробчатого лотка с двумя  криволинейными стенками и днищем. В данной конструкции через отверстия в боковинах лотка предусматривалось подавать сжатый воздух для уменьшения сил трения.
Первым работоспособным плугом, изготовленным в 1972 году фирмой «Аллис Чалмерс»   и осуществляющим оборот пласта в собственной борозде, был  симметричный фронтальный плуг американских инженеров Л. Кауфмана и Д. Тоттена [Kaufman L.C., Totten D.C. Development of the inverting moldboard plow. Transactions of the ASAE. - 1972 - №1. - С.55-60].
В то же время существующие конструкции фронтальных (полнооборотных плугов) энергоемки и не обеспечивают беспрепятственное прохождение почвы через рабочие органы плуга, поскольку оборот пласта происходит при его перемещении по дну борозды в условиях повышенного трения и  в стесненных условиях.
Известен плуг полнооборотный модульный  Андриксона А.Н.  [Пат. РФ № 2683234, МПК А01В 15/08, 2018. Плуг полнооборотный модульный со стабилизаторами  движения / Андриксон  А.Н. Опубл. 11.10.2018, №29], содержащий лемешно-отвальную поверхность и направляющую доску.
К недостаткам известного устройства для обработки почвы  можно отнести большую энергоемкость процесса.
Известен  рабочий орган  в виде  усеченного  цилиндрического отвала (прототип),  снабженный направляющей доской переменного сечения, связывающей крайнюю  левую точку горизонтального диаметра передней части и нижнюю точку бороздного обреза цилиндрического отвала, жестко закрепленной  на отвале [Пат. РФ № 2714243,  МПК А01В 49/00. Плужный корпус для обработки почвы / А.Ю. Измайлов, Я.П. Лобачевский, А.С. Дорохов, З.А. Годжаев, С.И. Старовойтов, Б.Х. Ахалая, В.М. Коротченя. Опубл.13.02.2020, Бюл. 5].
Предварительные испытания  известного рабочего органа выявили  нарушения беспрепятственного прохождения почвенного пласта.
Технической задачей изобретения является повышение технологической надежности  процесса.
Поставленная техническая задача достигается тем, рабочий орган для прецизионной обработки почвы, содержащий усеченный цилиндрический отвал, направляющую доску, сталкиватель и стойку, согласно изобретению, направляющая доска снабжена крылом длиной 0,1 м, размещенным в передней части направляющей доски по ходу движения почвенного пласта под углом  23° к горизонту.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1  представлено взаимодействие  крыла рабочего органа для прецизионной обработки  и почвенного пласта,  главный вид; на фиг. 2 – рабочий орган для прецизионной обработки почвы, вид сверху;  на фиг. 3 – рабочий орган для прецизионной обработки почвы, вид сбоку; на фиг.4 - график зависимости  угла поворота  сегмента  почвенного  пласта от угла поворота крыла направляющей доски; на фиг.5 – график зависимости угла поворота сегмента почвенного пласта от длины крыла направляющей доски рабочего органа для прецизионной обработки.
Рабочий орган для прецизионной обработки почвы  включает усеченный цилиндрический отвал 1, расположенный под  углом 3…4 градуса ко дну борозды,  направляющую доску  2, сталкиватель 3, стойку 4, крыло 5. Крыло 5 прикреплено к направляющей доске 2 с помощью крепежных элементов.
Расположение усеченного цилиндрического отвала 1  под углом 3...4 градуса ко дну борозды позволяет исключить трение внешней нижней поверхности цилиндрического отвала 1 о дно борозды. Направляющая  доска 2 переменного сечения связывает крайнюю левую точку горизонтального диаметра передней части и нижнюю точку бороздного обреза цилиндрического отвала 1. Она предназначена для оборота пласта и для ужесточения конструкции отвала. Сталкиватель 3 размещен в  верхней части  бороздного обреза цилиндрического отвала 1. Он предназначен для сбрасывания в  свою борозду вертикально расположенного пласта. Крыло 5 служит для придания пласту, перемещающемуся по цилиндрическому отвалу 1, вращательного движения.
Длина крыла 5 направляющей доски и  угол его наклона определяются следующим образом.  Дифференциальное уравнение вращения сегмента почвенного пласта имеет вид
(1)
2
где  - момент инерции сегмента почвенного пласта, кг×м;
-2
- угловое ускорение сегмента почвенного пласта, с;
- момент сил вязкостного сопротивления, Н×м×с;
-1
- угловая скорость вращения сегмента почвенного пласта, с;
- момент сил трения почвы, Н×м;
- угол поворота сегмента почвенного пласта, рад.;
- работа внешних сил, Дж.
Момент инерции сегмента почвенного пласта
(2)
где  - длина хорды сегмента, м;
- масса почвенного сегмента, кг.
Момент сил вязкостного сопротивления равен
,  (3)
где  - коэффициент динамической вязкости, Па×с;
2
- площадь сечения сегмента почвенного пласта, м;
- толщина  деформируемого слоя почвенного сегмента, м.
Момент сил трения почвы о поверхность рабочего органа
(4)
где  - длина крыла рабочего органа, м;
3
- плотность почвы, кг/м;
- коэффициент трения скольжения почвенного пласта о крыло отвала.
Работа внешних сил
(5)
где  - сила удара пласта о крыло рабочего органа, Н;
- величина деформации, м.
Величина деформации  сегмента почвенного пласта
(6)
где  - угол наклона крыла рабочего органа, рад.
Силу удара определим из уравнения  ударного импульса
(7)
где  - время воздействия крыла отвала с почвенным пластом, с;
- скорость движения почвообрабатывающего орудия, м/с.
Время воздействия крыла отвала с почвенным пластом
То есть имеем
Работа  внешних сил
Масса почвенного сегмента
В конечном  итоге   работа внешних сил будет равна
(8)
Преобразуем выражение  (1). Для этого  каждый  параметр выражения (1)  разделим на  величину момента инерции  сегмента почвенного пласта. Получим
(9)
В выражении (9) введем  следующие коэффициенты:
;
(10)
Корни квадратного уравнения определяются из выражения
В конечном итоге угол закручивания почвенного сегмента определяется из выражения
0
-1
где ω - первоначальная угловая скорость вращения почвенного сегмента, с.
Первоначальная угловая скорость вращения почвенного сегмента определяется  из следующего выражения
К основным параметрам, влияющим на оборот пласта, можно отнести скорость движения рабочего органа, длину и угол установки  крыла отвала.
На фиг. 4 представлена зависимость  угла поворота сегмента почвенного пласта от угла поворота крыла 5 отвала 1 при следующих начальных условиях:
k
абсолютная влажность почвы ω = 20%, длина крыла отвала l = 0,2 м, скорость движения υ = 2,77 м/с.
При увеличении  угла установки крыла 5 отвала 1 отмечается увеличение  угла поворота сегмента почвенного пласта. Угол поворота сегмента почвенного пласт 90° достигается при угле установки крыла отвала 23,2°. Округляем данный параметр  до 23°.
На фиг. 5 представлена зависимость угла поворота сегмента почвенного пласта от длины крыла рабочего органа. Данная зависимость носит прямо пропорциональный  характер без точек экстремума. При увеличении длины крыла 5 отвала 1 увеличивается  угол поворота сегмента почвенного пласта. В то же время изменение длины крыла 5 в диапазоне  0,1…0,28 м вызывает увеличение угла поворота всего лишь на 0,12 град. Принимаем, что для уменьшения силы трения длина крыла 5 отвала 1 будет составлять 0,1 м. Это длина является оптимальной и отклонение от нее ± 10% не повлияет на надежность выполнения технологического процесса.
Устройство работает следующим образом.
В процессе  вспашки передняя часть цилиндрического отвала 1 отрезает пласт почвы, который имеет  форму полукруга. Крыло 5 дополнительно закручивает почвенный пласт. При дальнейшем  движении пласт перемещается по внутренней поверхности цилиндрического отвала 1, а перемещения пласта по почве исключены. Это дает возможность снизить силы трения при обработке  и, соответственно, уменьшить энергоемкость, повысить скорость движения.
Контакт  пласта почвы с направляющей 2 переменного сечения цилиндрического отвала 1 обеспечивает  его оборот против часовой стрелки. Энергоемкость  оборота пласта, сечение которого имеет форму полукруга, меньше, чем энергоемкость оборота пласта, сечение которого имеет форму прямоугольника. Пласт практически не поднимается над дном борозды.  На момент окончания взаимодействия  цилиндрического отвала 1 и пласта, пласт занимает вертикальное положение. В этом положении на него оказывает влияние сталкиватель 3, укладывающий пласт в свою борозду.
Использование данного изобретения позволит повысить  технологическую надежность процесса.