Устройство для извлечения корней стержнекорневых травянистых растений

Полезная модель относится к сельскохозяйственным орудиям для производства ручных работ и может быть использована в качестве инструмента для извлечения корней стержнекорневых травянистых растений на землях сельскохозяйственного назначения, а также при сборе материала корней в рамках реализации научно-исследовательских работ в области ботаники, растениеводства, земледелия и переработки растительного сырья.
Отличительной особенностью стержнекорневых травянистых растений является наличие мощного центрального корня, извлечение из почвы которого, как правило, обеспечивает полноценное удаление растения с гарантированным отсутствием возможности его последующего отрастания. При этом расположение центрального корня в почве базируется на принципе геотропизма, который определяет его вертикальную ориентацию в почвенном профиле. Примечательно также, что глубина расположения основной части центрального корня травянистых растений в регионах с близким залеганием грунтовых вод, в частности в Центральном районе Нечерноземной зоны России, как правило, ограничивается глубиной пахотного слоя.
В процессе обработки почвы, расчистки территории от нежелательной сорной растительности, добыче образцов сырья подземной части растений традиционно используют штыковую лопату. Однако, она, как правило, разрезает корни, оставляя их значительную часть в почве. Кроме того, после извлечения лопатой пласта земли с корнем часто требуется производить трудоемкий процесс очистки корня от земли.
При подготовке почвы или очистке участка от сорняков с толстой и глубокой корневой системой, такой, например, как у борщевика Сосновского, широко распространенного на слабоокультуренных садовых и огородных участках, известные корнеудалители не всегда удобны в эксплуатации.
Известно множество технических решений, посвященных разработке конструкции устройств для извлечения корней растений (А.с. СССР №335994, кл. А01В 35/32, 1970; А.с. СССР №1009293, кл. А01В 25/00, 1981; А.с. СССР №1530110, кл. А01В 35/32, 1988; А.с. СССР №1047408, кл. А01В 35/32, 1982; А.с. СССР №1031421, кл. A01D 31/00, 1982; А.с. СССР №381311, кл. А01В 35/12, 1971), включающих раму с установленными на ней перерезающими корни ножами с тупым углом вхождения в почву и установленными за ними извлекающими зубьями.
Однако эти устройства не обеспечивают качественного извлечения корней для обследования, а также при сборе материала корней для проведения научно-исследовательских работ в области ботаники, растениеводства, земледелия и переработки растительного сырья.
Известны ручные орудия для обработки и рыхления почвы, которые могут быть использованы для подрезания и выдергивания сорняков (Патент РФ №2153787, кл. А01В 1/06, 2000; патент на ПМ №143238, кл. А01В 35/00, 2013; патент на ПМ №166099, кл. А01В 1/06, 2016; патент на ПМ №196774, кл. А01В 1/06, 2019; патент на ПМ №120832, кл. А01В 1/06, 2012), содержащие рабочий орган из изогнутых спиралевидных зубьев, вертикальную раздвижную стойку, соединенную нижним концом с рабочим органом, и поворотную ручку, установленную на другом конце вертикальной раздвижной стойки.
Известен рыхлитель (патент на ПМ №200455, кл. А01В 1/06, 2020, прототип), включающий стойку, имеющую на одном конце Т-образную рукоятку с симметричными плечами для левой и правой руки, а на другом - устройство для рыхления почвы, содержащее распределенные спиральные зубья, образующие в плане незамкнутый круговой профиль, которые соединены в верхней части между собой в виде неправильного многоугольника.
Общим недостатком известных ручных орудий для обработки и рыхления почвы, в том числе прототипа, являются значительные энергозатраты человека на преодоление сопротивления почвы при заглублении и прокручивании рабочего органа ручного орудия, результатом чего является высокая утомляемость из-за постоянной нагрузки различных групп мышц и низкая производительность труда. Кроме того, эти устройства не обеспечивают качественного извлечения корней стержнекорневых травянистых растений из-за отсутствия центрирования стойки с рабочими органами.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в создании устройства для извлечения корней стержнекорневых травянистых растений, обладающего улучшенными эксплуатационными свойствами, обеспечивающего качественное точечное извлечение корней стержнекорневых травянистых растений.
Технический результат от решения поставленной задачи заключается в создании устройства для извлечения корней стержнекорневых травянистых растений, обладающего улучшенными эксплуатационными свойствами, позволяющего повысить удобство в работе и производительность труда за счет снижения энергозатрат человека, и, благодаря центрированию стойки с рабочими органами, качественным точечным извлечением из почвы корней стержнекорневых травянистых растений. Благодаря высококачественному точечному извлечению корней стержнекорневых травянистых растений отсутствует повреждение корневой системы растений либо извлеченные корни имеют незначительные повреждения, что лежит в основе успешного проведения научно-исследовательских работ в области ботаники, растениеводства, земледелия и переработки растительного сырья.
Поставленная полезной моделью задача решена тем, что устройство для извлечения корней стержнекорневых травянистых растений, содержащее вертикальную стойку, имеющую на одном конце жестко закрепленную перпендикулярно стойке рукоятку с симметричными плечами для левой и правой руки, а на другом - рабочий орган, снабжено центрирующим механизмом, который выполнен в виде трех одинаковых осей, одним концом установленных шарнирно в проушинах установленной на вертикальной стойке фиксирующей втулки, равномерно расположенных по ее боковой поверхности, другой конец каждой оси при этом посредством концевика, составляющего с осью тупой угол и имеющего угол заточки 15°-17°, установлен в пазу основания параллельно вертикальной стойке с последующей фиксацией в нем. Основание центрирующего механизма выполнено в виде полого кольца, по внутреннему периметру которого на одинаковом друг от друга расстоянии выполнены три одинаковых вертикальных паза по всей высоте кольца и расположенного на внешней поверхности основания над каждым пазом уступа, при этом ширина s каждого паза равна диаметру d каждой оси. Уступ выполнен в виде прямоугольной пластины с соотношением сторон 1:3-4, установленной жестко на внешней поверхности основания, причем, большая ее сторона расположена вдоль внешней поверхности основания. Поперечная ось симметрии каждого уступа и продольная ось каждого паза лежат в одной вертикальной плоскости. По линии пересечения всех трех вертикальных плоскостей расположена ось симметрии вертикальной стойки. Вертикальная стойка снабжена одинаковыми отверстиями, расположенными равномерно по оси ее симметрии над фиксирующей втулкой с возможностью установки с последующей фиксацией в одном из отверстий опорной втулки, выполненной в виде усеченного конуса, большим основанием, обращенным вниз, при этом между фиксирующей и опорной втулками на вертикальной стойке свободно установлена пружина. Кроме того, рабочий орган выполнен в виде двух одинаковых правых спиралей, диаметрально противоположно одним концом закрепленных на фланце, установленном на нижнем конце вертикальной стойки с возможностью его съема, другой конец каждой спирали выполнен с режущей кромкой, имеющей угол заточки 15-17°, причем внешний диаметр каждого витка каждой спирали и диаметр фланца равны между собой, а шаг каждой спирали при этом составляет 1/3 от внешнего диаметра витка спирали. И, кроме того, рукоятка снабжена одинаковыми прорезиненными рукоятями, расположенными на конце каждого ее плеча. В лучшем варианте исполнения опорная втулка установлена на вертикальной стойке посредством шплинта, каждая спираль рабочего органа закреплена на фланце посредством сварки, а фланец установлен на нижнем конце вертикальной стойки посредством резьбового соединения и зафиксирован контргайкой; каждый концевик каждой оси составляет с осью угол, равный 135°, и закреплен в пазу основания посредством сварки; каждый уступ закреплен на внешней стороне основания центрирующего механизма посредством сварки.
Конструкция заявленного устройства для извлечения корней стержнекорневых травянистых растений, благодаря наличию опорной втулки, пружины, съемного фланца с рабочим органом в виде двух одинаковых правых спиралей, параметры которых подобраны эмпирическим путем и подтверждены экспериментально, а также центрирующего механизма и наличию прорезиненных рукоятей, обладает улучшенными эксплуатационными свойствами, позволяющими повысить удобство в работе и производительность труда за счет снижения энергозатрат человека. Наличие центрирующего механизма повышает качество точечного извлечения корней стержнекорневых травянистых растений, благодаря чему отсутствует повреждение корневой системы растений, либо извлеченные корни имеют незначительные повреждения, что лежит в основе успешного проведения научно-исследовательских работ в области ботаники, растениеводства, земледелия и переработки растительного сырья.
Полезная модель иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 изображено устройство для извлечения корней стержнекорневых травянистых растений, общий вид;
на фиг. 2 - то же, разрез А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 изображена фиксирующая втулка с установленными в ней осями, узел Б на фиг. 1.
Устройство для извлечения корней стержнекорневых травянистых растений включает вертикальную стойку 1, имеющую на одном конце жестко закрепленную перпендикулярно стойке 1 рукоятку 2 с симметричными плечами и прорезиненными рукоятями 3 для левой и правой руки, а на другом конце - корнеизвлекающий рабочий орган 4, жестко закрепленный на фланце 5. Фланец 5 установлен на нижнем конце вертикальной стойки 1 посредством резьбового соединения и зафиксирован контргайкой 6 с возможностью его съема. Вертикальная стойка 1 снабжена сквозными отверстиями 7, расположенными в верхней ее части по оси симметрии вертикальной стойки 1 на одинаковом друг от друга расстоянии, которые служат для установки на ней опорной втулки 8. Опорная втулка 8 выполнена в виде усеченного конуса, большим основанием обращенным вниз, с возможностью установки ее на вертикальной стойке 1 на уровне заданного отверстия 7 с последующей фиксацией в нем посредством шплинта 9. С помощью опорной втулки 8 задают глубину вхождения рабочего органа 4 в почву. Крайнее верхнее положение опорной втулки 8 соответствует потенциально глубоко проникающему в почву корню, например, корню борщевика Сосновского. И наоборот, крайнее нижнее положение опорной втулки 8 соответствует неглубоко проникающему в почву корню, например, корню растений щавеля.
Рабочий орган 4 предназначен для точечного извлечения корня стержнекорневых травянистых растений и выполнен в виде двух одинаковых изготовленных из пружинной стали правых спиралей толщиной 5-7 мм и диаметрально противоположно одним концом жестко закрепленных на фланце 5 посредством сварки. Другой конец каждой спирали при этом выполнен с режущей кромкой и имеет угол заточки 15°-17°, выбранный из условия равенства угла трения почвы о сталь 14°…52° (Машиностроение: Энциклопедия. - М.: Машиностроение, 1998. - Т. 4-16. - С. 115). Внешний диаметр каждого витка каждой спирали и диаметр фланца 5 равны, чтобы при необходимости фланец не препятствовал вхождению в почву рабочего органа, шаг каждой спирали при этом составляет 1/3 от внешнего диаметра витка спирали. Параметры спирали подобраны эмпирическим путем из условия оптимального взаимодействия в системе «деформатор (рабочий орган) - почвенная среда» и подтверждены экспериментально.
Длина каждой спирали, как и общая глубина вхождения рабочего органа 4 в почву, определяется, исходя из ботанических особенностей извлекаемого растительного материала, а именно, потенциальной глубины проникновения корня в почву. Конструктивно это решено наличием и установкой в отверстиях 7 вертикальной стойки 1 опорной втулки 8, характеристиками пружины 10 и длиной спирали рабочего органа 4.
С целью качественного извлечения корней растений из почвы без их повреждения заявленное устройство снабжено центрирующим механизмом, выполненным в виде трех одинаковых осей 11, одним концом установленных шарнирно в проушинах 12 установленной на вертикальной стойке 1 фиксирующей втулки 13, которые равномерно расположены по ее боковой поверхности. Другой конец каждой оси 11 снабжен концевиком 14, составляющим с осью угол 135° и имеющим угол заточки 15-17° (Машиностроение: Энциклопедия. - М.: Машиностроение, 1998. - Т. 4-16. - С. 115). Концевик 14 каждой оси 11 установлен в пазу 15 основания 16 центрирующего механизма параллельно вертикальной стойке 1 с фиксацией в нем посредством сварки. Основание 16 выполнено в виде полого кольца, по внутреннему периметру которого на одинаковом друг от друга расстоянии выполнены три одинаковых вертикальных паза 15 по всей высоте кольца и расположенного на внешней поверхности основания 16 над каждым пазом 15 уступа 17, при этом ширина s каждого паза 15 равна диаметру d каждой оси 11. Уступ 17 выполнен в виде прямоугольной пластины с соотношением сторон 1:3-4, установленной на внешней поверхности основания 16 посредством сварки, причем, большая ее сторона расположена вдоль внешней поверхности основания 16. Поперечная ось симметрии каждого уступа 17 и продольная ось каждого паза 15 лежат в одной вертикальной плоскости с тем, чтобы не было перекоса основания 16 при его установке посредством концевиков 14. По линии пересечения всех трех вертикальных плоскостей, в каждой из которых лежат поперечная ось симметрии одного из уступов 17 и продольная ось соответствующего ему паза 15, расположена ось симметрии вертикальной стойки 1. Такая конструкция центрирующего механизма позволяет точно разместить извлекаемый из почвы корень по центру рабочего органа 4, благодаря чему возможно качественное точечное извлечение корня стержнекорневых травянистых растений без его повреждения.
Между опорной втулкой 8 и фиксирующей втулкой 13 на вертикальной стойке 1 свободно установлена витая цилиндрическая пружина 10, работающая на сжатие. Пружина 10 выполняет функцию возвратной пружины, облегчая извлечение корня из почвы. Характеристики пружины 10 подбирают эмпирическим путем, исходя из характеристики почвы, из которой извлекается корень, и из ботанических особенностей извлекаемого растительного материала, конкретно, потенциальной глубины проникновения корня в почву.
Устройство для извлечения корней стержнекорневых травянистых растений работает следующим образом.
Над местом расположения извлекаемого из почвы корня с предварительно срезанной надземной частью устанавливают основание 16 таким образом, чтобы корень находился по оси симметрии стойки 1 равно как в центре основания 16, после чего концевики 14 каждой оси 11 центрирующего механизма заглубляют в почву путем надавливания носком ноги на каждый из уступов 17. Концевики 14 легко входят в почву, благодаря режущей кромке с углом заточки 15-17°. На вертикальной стойке 1, исходя из ботанических особенностей извлекаемого растительного материала, в выбранном отверстии 7 при помощи шплинта 9 фиксируют опорную втулку 8, большим основанием обращенную вниз. Оператор устройства, взяв в руки прорезиненные рукояти 3 рукоятки 2, выставляет рабочие органы 4 так, чтобы они равномерно охватывали корень, и, совершая вертикальное усилие сверху вниз, начинает вращать по часовой стрелке вертикальную стойку 1 таким образом, чтобы обе спирали рабочего органа 4 равномерно погружались в почву, разрушая межагрегатные связи. Благодаря режущей кромке нижнего конца каждой спирали и непосредственно их спиралевидной форме, рабочий орган 4 погружается в почву с минимальным усилием. Вращение осуществляется оператором до тех пор, пока не произойдет предельное сжатие пружины 10. После чего оператор, придерживая носком ноги один из уступов 17, начинает посредством подергиваний за прорезиненные рукояти 3 в вертикальной плоскости в сочетании с поступательными полуоборотами рукоятки 2 осуществлять извлечение рабочего органа 4 вместе с захваченным корнем. Благодаря наличию пружины 10 корень после извлечения его из почвы либо сам высвобождается из рабочего органа 4 под действием ее выталкивающей силы и силы тяжести самого корня, либо, в зависимости от гранулометрического состава почвы, ее влажности и задернелости, извлечение корня осуществляют вручную с использованием деревянного экстрактора, представляющего собой рейку длиной 50 см и толщиной 1,5-2,0 см, наклоняя устройство. После полноценного извлечения корня устройство готово для продолжения работы с материалом, имеющим сопоставимые ботанические характеристики, и не требует дополнительных регулировок при повторном и последующем его использовании. В случае если корень извлечен неполностью, оператор проводит дополнительную регулировку глубины хода рабочего органа 4 посредством перемещения опорной муфты 8 в отверстии 7 вертикальной стойки 1, подбором пружины 10 и фланца 5 с рабочим органом 4.
Заявленное устройство для извлечения корней стержнекорневых травянистых растений промышленно осуществимо. Изготовлен его промышленный образец и испытан на опытном поле кафедры технологических и транспортных машин и комплексов инженерного факультета Тверской ГСХА.
Проведенные полевые экспериментальные исследования подтвердили рациональные параметры элементов конструкции заявленного устройства и доказали, что предложенная конструкция является работоспособной, причем отличается высокой эксплуатационной надежностью. С применением заявленного устройства обеспечивается качественный отбор растительного материала подземных частей растений. В процессе экспериментальных работ практически не наблюдалось травмирования материала корней, а полнота их извлечения из почвы для стержнекорневых растений в целом и борщевика Сосновского в частности находилась на уровне 97-98%.
Кроме того, установлена возможность эффективного использования разработанного устройства на почвах различного гранулометрического состава с разными уровнями влажности и задернелости. Снижение энергозатрат при извлечении корней борщевика Сосновского по предварительным расчетам в сравнении с использованием других устройств и приспособлений составляет в среднем 16-18%, в связи с чем производительность труда за счет снижения энергозатрат человека увеличилась в два раза.
Заявленное устройство для извлечения корней можно рекомендовать для использования на землях сельскохозяйственного назначения, а также при проведении научно-исследовательских работ в области ботаники, растениеводства, земледелия и переработки растительного сырья.