РУЧНОЙ КУЛЬТИВАТОР

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к ручным сельскохозяйственным орудиям для обработки почвы, в частности к ручным культиваторам, снабженным зубьями, и может быть использовано для обработки почвы безотвальным методом (рыхление без оборота пласта земли) с одновременным удалением сорняков.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен ручной культиватор для обработки почвы (патент РФ на полезную модель №119199, МПК: A01B 1/06, дата публикации 20.08.2012), содержащий трубчатый стержень, задающий продольную ось устройства, рукоятку, закрепленную с одной стороны стержня, и закрепленный на другом конце стержня рабочий орган, выполненный в виде заостренных спиралевидных зубьев, образующих форму шара. Рукоятка имеет дугообразную форму в плоскости, проходящей вдоль стержня, и в своей срединной части прикреплена к торцу стержня, с образованием двух плеч для осевого вращения устройства. Рукоятка прикреплена к торцу стержня с помощью переходного элемента в виде втулки, входящей в трубчатый стержень, и элементов фиксации в виде винтов и гаек, скрепляющих втулку и стержень через соответствующие отверстия, выполненные во втулке и стержне. Заострение зубьев рабочего органа имеет коническую форму. При обработке почвы с помощью такого культиватора пользователь, удерживая культиватор вертикально за рукоятку двумя руками, вонзает зубья рабочего органа в почву и поворачивает его примерно на 90° вокруг продольной оси, углубляя зубья рабочего органа в почву. Затем пользователь вытягивает культиватор вертикально вверх, извлекая зубья рабочего органа из земли, и повторяет процедуру на новом участке земли. Таким образом от участка к участку осуществляется обработка почвы.
Однако, выполнение зубьев рабочего органа спиралевидной формы может приводить к тому, что при попытке вонзить инструмент, например, в плотную почву, с ударом, направленным вертикально вниз, зубья рабочего органа не вонзятся в почву, а отпружинят от нее. В этом случае отскочивший от земли инструмент, имеющий рабочий орган с острыми зубьями, способен нанести травму пользователю. Такая форма рабочего органа небезопасна даже при случайном падении культиватора рабочим органом вниз, поскольку при отпружинивании рабочего органа от поверхности может произойти отскок инструмента в непредсказуемом направлении.
Кроме того, форма зубьев рабочего органа, выполненных спиралевидными и образующими форму шара, приводит к тому, что по мере их углубления существенно увеличивается сопротивление их проникновения в почву, что приводит к необходимости приложения дополнительных усилий пользователем, отрицательным образом сказывается на качестве рыхления почвы и количестве затрачиваемого времени.
Кроме того, используемый в известном устройстве метод крепления рукоятки к стержню, передающему вращающее усилие пользователя на рабочий орган, - в виде втулки, входящей в трубчатый стержень, и элементов фиксации в виде винтов и гаек, - не обеспечивает достаточно надежного соединения и прочности конструкции устройства при том характере усилий, которые возникают при его использовании, - осевых и тангенциальных (на кручение).
Известен ручной культиватор (патент РФ на полезную модель №120832, МПК: A01B 1/06, дата публикации 10.10.2012), включающий трубчатый стержень (полую стойку), задающий продольную ось устройства, рукоятку, закрепленную на одном конце стержня, и закрепленный на другом конце стержня рабочий орган, выполненный в виде заостренных спиралевидных зубьев. Рукоятка представляет собой трубчатый элемент, который с одного конца устанавливается на стержень. Для образования плеч, обеспечивающих приложение вращательного (тангенциального) усилия к трубчатому стержню и жестко прикрепленному к нему рабочему органу, противоположный конец рукоятки имеет два радиальных изгиба относительно оси устройства - в одну сторону и в противоположную. Свободная (нижняя) часть зубьев рабочего органа расплющена и имеет форму плоскорежущих пластин, что определяет преимущественное использование культиватора для борьбы с сорняками. При обработке почвы с помощью такого культиватора пользователь, удерживая культиватор вертикально за рукоятку двумя руками, вонзает зубья рабочего органа в почву и поворачивает его вокруг продольной оси, углубляя зубья рабочего органа в почву. При этом зубья подрезают корни сорняков. Затем пользователь вытягивает культиватор вертикально вверх, извлекая зубья рабочего органа из земли, и повторяет процедуру на новом участке земли.
Как и в случае с устройством, описанным в патенте на полезную модель №119199, спиралевидная форма зубьев рабочего органа является небезопасной для пользователя, а также создает существенное сопротивление проникновению зубьев в почву. В отличие от культиватора, описанного в патенте на полезную модель №119199, данная конструкция обеспечивает более надежное соединение рукоятки со стержнем, передающим вращающее усилие пользователя на рабочий орган. Однако выполнение рукоятки указанной формы (в виде двух изгибов) приводит к тому, что пользователь фактически вращает культиватор одной рукой, удерживая его другой рукой в вертикальном положении и стараясь при этом, чтобы ось вращения сохраняла свое пространственное вертикальное положение. Это приводит к неравномерной (несимметричной) нагрузке на руки, что ведет к быстрой утомляемости и увеличению затрачиваемого на обработку почвы времени.
Наиболее близким по конструкции к заявляемой полезной модели является ручной культиватор (патент РФ на изобретение №2153787, МПК: A01B 1/06, A01B 1/00, дата публикации 10.08.2000), включающий телескопический стержень, задающий ось устройства, раздвижную рукоятку, закрепленную на одном конце стержня, и закрепленный на другом конце стержня рабочий орган в виде заостренных спиралевидных зубьев, представляющих собой парные, параллельно направленные спирали различного радиуса. Рукоятка выполнена S-образной формы и асимметрично закреплена на стержне, образуя большее плечо для ведущей руки пользователя, причем плоскость, в которой расположена рукоятка S-образной формы, ориентирована под углом примерно от 15° до 60° к горизонтальной плоскости. За счет такого выполнения рукоятки плоскость ее вращения переносится из горизонтальной в наклонную по отношению к вертикально ориентированному стержню, что, по мнению изобретателя, является более эргономичным и снижает утомляемость пользователя за счет включения в работу различных групп мышц.
Работает данный культиватор аналогично вышеописанным. При этом, как и в случае с устройствами, описанными в патентах на полезные модели №119199 и №120832, спиралевидная форма зубьев рабочего органа является небезопасной для пользователя, и также создает существенное сопротивление проникновению зубьев в почву. Кроме того, асимметричное закрепление рукоятки на стержне под углом к горизонтальной плоскости приводит к несимметричному распределению нагрузок на позвоночник пользователя, что может привести к травмам и заболеваниям позвоночника, а технологическая сложность изготовления парных зубьев разной кривизны приводит к увеличению стоимости культиватора.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение безопасности при использовании культиватора, снижение сопротивления, возникающего при рыхлении почвы рабочим органом, а также улучшение эргономичности устройства с целью снижения нагрузок на позвоночник пользователя.
Заявляемый ручной культиватор включает стержень, задающий ось устройства, рукоятку, закрепленную на одном конце стержня и образующую плечи для его осевого вращения, и закрепленный на другом конце стержня рабочий орган, выполненный в виде первой группы зубьев, включающей по меньшей мере четыре заостренных зуба, расположенных звездообразно относительно оси устройства и ориентированных в противоположную от рукоятки сторону. Каждый из зубьев имеет три последовательных плеча, причем первое плечо соединено со стержнем и ориентировано по существу в плоскости перпендикулярной оси устройства, второе плечо ориентировано по существу вдоль оси устройства с наклоном в тангенциальном направлении в диапазоне от 16° до 24°, а третье плечо ориентировано по существу в направлении второго плеча с наклоном в радиальном направлении в диапазоне от 24° до 29° и имеет заострение.
Указанный результат достигается за счет особого выполнения зубьев рабочего органа. С одной стороны, за счет того, что зубья выполнены не спиралевидными, а в виде последовательных трех плеч, последнее из которых, имеющее заострение, ориентировано по существу нормально к поверхности обрабатываемого участка почвы с небольшим отклонением относительно оси устройства в тангенциальном и радиальном направлениях, устраняется характерный для описанных аналогов, включая прототип, эффект отпружинивания устройства - при таком выполнении зубья гарантированно втыкаются в землю. С другой стороны, выполнение второго плеча ориентированным по существу вдоль оси устройства с указанным наклоном в тангенциальном направлении, а также третьего плеча ориентированным по существу в направлении второго плеча с указанным наклоном в радиальном направлении обеспечивает достаточно эффективное рыхление почвы, как это обычно достигается культиваторами с рабочим органом в виде зубьев, погружаемых в почву.
Выполнение первого плеча зубьев ориентированным по существу в плоскости перпендикулярной оси устройства приводит к тому, что эта часть зубьев не погружается в почву, что обеспечивает снижение сопротивления, возникающего при рыхлении почвы. Указанный диапазон угла наклона второго плеча относительно первого является оптимальным с точки зрения безопасного и комфортного погружения рабочего органа культиватора пользователем в почву. При увеличении угла наклона может возникнуть эффект отпружинивания рабочего органа при встрече с плотным участком почвы или препятствием, при уменьшении угла наклона пользователю придется прилагать дополнительные усилия для погружения рабочего органа в почву. Указанный диапазон угла наклона третьего плеча относительно второго является также оптимальным. Уменьшение угла наклона приведет к уменьшению круговой полосы рыхления почвы, а увеличение - к заметному увеличению усилия, требуемого для вворачивание рабочего органа в почву.
Для улучшения эргономичности устройства рукоятка может быть выполнена S-образной формы и расположена центрально симметрично относительно оси устройства и в плоскости по существу перпендикулярной относительно оси устройства.
Дополнительно рабочий орган может содержать вторую группу зубьев, включающую по меньшей мере два заостренных зуба, расположенных между зубьями первой группы звездообразно относительно оси устройства и ориентированных в противоположную от рукоятки сторону. При этом каждый из зубьев имеет два последовательных плеча, причем первое плечо соединено со стержнем и ориентировано по существу в плоскости перпендикулярной оси устройства, а второе плечо ориентировано по существу вдоль оси устройства и имеет заострение, при этом длина первого плеча зуба второй группы по меньшей мере в два раза меньше длины первого плеча зуба первой группы. Если первая группа зубьев рабочего органа обеспечивает рыхление почвы преимущественно по периферии обрабатываемого участка, то вторая группа зубьев обеспечивает подрезание корней сорняков в центральной части этого участка почвы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 показан вид спереди примера выполнения ручного культиватора в соответствии с заявляемой полезной моделью.
На фиг. 2 показан вид сверху ручного культиватора, показанного на фиг. 1.
На фиг. 3 показан в аксонометрии вид ручного культиватора, представленного на фиг. 1 и фиг. 2.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Описываемый ниже пример выполнения заявляемого ручного культиватора иллюстрируется фиг. 1-3. Ручной культиватор 1 включает стержень 2, задающий продольную ось 3 устройства, рукоятку 4, закрепленную на одном конце стержня 2, и рабочий орган 5, закрепленный на другом конце стержня 2.
Рукоятка 4 в данном примере выполнена S-образной формы (см. фиг. 2) и расположена центрально симметрично относительно оси 3 в плоскости по существу перпендикулярной оси 3. Такая форма рукоятки 4 способствует равномерному распределению нагрузку на мышцы человека. Рукоятка 4 образует плечи L приложения усилий для осевого вращения устройства. Для специалиста понятно, что могут быть и другие формы рукоятки, - главное, чтобы конструкция рукоятки обеспечивала соответствующие плечи приложения усилий для осевого вращения устройства.
Рабочий орган 5 в данном примере имеет две группы зубьев. Первая группа зубьев включает четыре больших зуба 6, расположенных звездообразно относительно оси 3 (в данном примере через 90°), при этом каждый из зубьев 6 состоит из трех плеч: первого плеча 7, второго плеча 8 и третьего плеча 9. Первое плечо 7 зуба 6 соединено со стержнем 2 и ориентировано по существу в плоскости перпендикулярной оси 3 устройства. Второе плечо 8 зуба 6 ориентировано по существу вдоль оси 3 устройства и имеет угол наклона α в тангенциальном направлении, выбранный в диапазоне от 16° до 22°. Направление наклона второго плеча 8 зуба 6 соответствует направлению вращения устройства, в данном примере - по часовой стрелке, что облегчает внедрение зубьев 6 в обрабатываемую почву и извлечения их из почвы. Третье плечо 9 зуба 6 ориентировано по существу в направлении его второго плеча 8 и имеет угол наклона β в радиальном направлении, выбранный в диапазоне от 24° до 29°. Третье плечо 9 зуба 6 имеет заострение 10, обеспечивающее внедрение зубьев 6 в почву и ее рыхление. Указанная ориентация третьего плеча 9 обеспечивает оптимальный вход зубьев 6 в почву при вращении рабочего органа 5 вокруг оси 3.
Вторая группа зубьев включает два малых зуба 11, расположенных напротив друг друга и между парами соседних больших зубьев 6. Каждый из зубьев 11 состоит из двух плеч: первого плеча 12 и второго плеча 13. Первое плечо 12 зуба 11 соединено со стержнем 2 и ориентировано по существу в плоскости перпендикулярной оси 3 устройства. Второе плечо 13 зуба 11 ориентировано по существу вдоль оси 3 устройства. Так же как и зубья 6, зубья 11 имеют заострение 14, выполненное на свободном конце второго плеча 13 и обеспечивающее подрезание корней сорняков.
Обработка почвы с помощью культиватора 1 осуществляется обычным для подобных устройств образом. Пользователь, удерживая культиватор 1 вертикально за рукоятку 4 двумя руками, вонзает зубья 6 рабочего органа 5 в почву и поворачивает его примерно на 90° вокруг оси 3, углубляя зубья 6 рабочего органа в почву. По мере углубления рабочего органа 5 в почву начинают врезаться и зубья 11. В результате зубья 6 производят рыхление участка почвы, а зубья 11 подрезают корни сорняков. Затем пользователь вытягивает культиватор вертикально вверх, извлекая зубья 6 и 11 рабочего органа 5 из земли, и повторяет процедуру на новом участке земли. Таким образом от участка к участку осуществляется обработка почвы.
В рассмотренном примере рабочий орган 5 имеет четыре зуба первой группы и два зуба второй группы. Однако возможно иное число зубьев в группах и их сочетание. Например, первая группа может включать пять или шесть зубьев 6. В сочетании с выбранным числом зубьев 6 первой группы вторая группа может включать, например, четыре зуба 11 при четырех зубьях 6, или пять зубьев 11 при пяти зубьях 6, или три либо шесть зубьев 11 при шести зубьях 6. Уменьшение в совокупности числа зубьев 6 и 11 облегчает работу, но снижает производительность, а увеличение - хотя и увеличивает производительность, но требует больших усилий со стороны пользователя и может привести к застреванию почвы и подрезанных корней сорняков между зубьями, затрудняя извлечение рабочего органа из земли.
В рассмотренном примере все элементы конструкции жестко соединены между собой, что обеспечивает конструктивную прочность, долговечность устройства и низкую цену. Однако для специалиста понятно, что отдельные элементы устройства могут быть выполнены разъемными, например, для удобства перевозки и хранения, или регулируемыми по длине, например, для разной плотности почвы, разного роста и размаха рук пользователя.
Изготовленный ручной культиватор, конструкция которого представлена в качестве примера на фиг. 1-3, имел следующие основные конструктивнее характеристики:
общая высота (длина) устройства:
1053 мм;
высота стержня 2:
800 мм;
высота рабочего органа 5 и зубьев 6:
150 мм;
диаметр рабочего органа 5:
170 мм;
высота зубьев 11:
70 мм;
вылет зубьев 11 в радиальном направлении:
35 мм;
размах рукоятки 4 (2L):
380 мм.
Стержень и рукоятка культиватора изготовлены из полой стальной трубы с наружным диаметром 22 мм, а зубья 6 и 11 изготовлены из стального прута круглого сечения диаметром 10 мм.
Практические испытания культиватора подтвердили достижение указанного результата: повышение безопасности при использовании культиватора, снижение сопротивления, возникающего при рыхлении почвы рабочим органом, а также улучшение эргономичности устройства с целью снижения нагрузок на позвоночник пользователя.