Адаптивный глубокорыхлитель

Полезная модель относится к сельскохозяйственному машиностроению, в частности к рабочим органам для безотвальной обработки почвы на глубину до 60 см.
Известны различные конструкции глубокорыхлителей навесного типа для безотвальной обработки почвы, такие как КАО-2, УНС-5, ПЛН-5-35, ПКЧ-50М, ПЧ-4,5, ПЧ-10.01, ПЧ-6, РГ-0,8 и т.д. К недостаткам этих конструкций следует отнести жесткое крепление рыхлящих элементов на стойке. Такое положение при существующем непостоянстве физико-механических свойств почвы (Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. - Москва: Машиностроение, 1977. - С. 31, табл. 4) вызывает при рыхлении колебания усилий перемещения и, соответственно, мощности двигателя тяговой машины, что приводит к повышению расхода топлива и снижению его ресурса.
Известны конструкции глубокорыхлителей с установленными упругими элементами, например глубокорыхлитель многофункциональный U63 «Rolmako» (https://m.rolmako.ru/u638.html#) который принят за прототип. По мнению конструкторов, такое решение решает задачу сохранения стойки рыхлителя при встрече с препятствием путем возможного огибания его за счет поворота стойки и соответствующего сжатия пружины. Однако такой случай встречи с непреодолимым препятствием (крупный камень, потерянная деталь сельхозорудия) относится к аварийным и встречается чрезвычайно редко. В типичном варианте при стационарной работе такая конструкция в условиях изменяемости плотности (твердости) почвы (так называемых перемежающихся по плотности (твердости) почв) обеспечивает не снижение колебательности (коэффициента неравномерности) привода, а наоборот увеличивает ее. Это происходит потому, что при повороте стойки назад с жестко закрепленными на ней рыхлящими элементами (наральник, почворыхлящие пластины) относительно шарнира расположенного на раме орудия площадь контакта (лобового сопротивления) увеличивается, а не уменьшается, что приводит к росту усилий перемещения.
Следовательно, повышение эффективности работы глубокорыхлителей связано с решением задачи выбора таких конструктивных и режимных параметров, которые в максимальной мере соответствуют условиям их работы, требуемому качеству при максимальной производительности и минимальной энергоемкости (энергоемкость зависит в значительной мере от коэффициента неравномерности). Поскольку непостоянство физико-механических свойств почвы, разрабатываемой глубокорыхлителем, и неровности микрорельефа, по которому он движется, варьируются в широких пределах, то для обеспечения требуемого качества рыхления агрегат должен адекватно реагировать на эти изменения. Это возможно только при использовании систем автоматической стабилизации нагрузки на рабочие органы.
Полезная модель направлена на повышение эффективности глубокого рыхления перемежающихся по плотности (твердости) почв, которая достигается за счет того, что в стойке глубокорыхлителя в зоне установки почворыхлящих пластин выполнено некруглое отверстие, а пара симметрично расположенных по обе стороны некруглого отверстия почворыхлящих пластин посредством шарниров, установленных под их рабочей поверхностью в районе передних режущих кромок соединены со стойкой с возможностью поворота относительно шарниров на угол от 20 до 40 градусов, при этом задние части почворыхлящих пластин жестко соединены между собой проходящей через некруглое отверстие планкой которая опирается своей средней частью на упругий элемент установленный в некруглом отверстии между планкой и нижней кромкой некруглого отверстия, причем планка при угле поворота почворыхлящих пластин в 40 градусов упирается верхней частью в верхнюю кромку некруглого отверстия, а при угле поворота в 20 градусов опирается нижней частью на ступеньку в задней кромке некруглого отверстия.
Указанный адаптивный глубокорыхлитель позволяет повысить эффективность обработки перемежающихся по плотности (твердости) почв. Наличие упругого элемента и контакт нижней поверхности планки, соединяющей рыхлящие пластины с упругим элементом, закрепленным в некруглом отверстии стойки между нижней поверхностью планки и опорной поверхностью некруглого отверстия позволяет обеспечить на заданном уровне усилия сопротивления путем изменения угла установки почворыхлящих пластин (площади лобового контакта) и за счет сил упругости адаптироваться к изменяющимся нагрузкам, т.е., к изменяющимся реакциям отпора почв различной плотности (твердости).
На фиг. 1 показан адаптивный глубокорыхлитель вид сбоку, на фиг. 2 показан адаптивный глубокорыхлитель вид спереди, на фиг. 3 показана выделенная на фиг. 1 область установки почворыхлящих пластин I.
i
Представленный адаптивный глубокорыхлитель содержит: стойку 1; наральник 2; почворыхлящие пластины правую 3 и левую 4, закрепленных по обе стороны стойки 1 посредством шарниров 5; некруглое отверстие 6 в стойке 1; планку 7, проходящую через некруглое отверстие 6 и скрепляющую посредством соединений 8 планку 7 с почворыхляющими пластинами 3 и 4; упругий элемент 9 установленный в некруглом отверстии 6 между нижней поверхностью планки 7 и нижней кромкой 10 некруглого отверстия 6; верхняя кромка 11 некруглого отверстия 6 выполнена под углом равным максимальному углу поворота почворыхлящих пластин 3 и 4, а задняя боковая кромка имеет ступеньку 12 ограничивающую минимальный угол поворота почворыхлящих пластин. На фиг. 1, 2 и 3 дополнительно обозначены: β - текущий угол наклона почворыхлящих пластин 3 и 4;  - длина почворыхлящих пластин; В - ширина захвата; h - текущая величина вертикальной проекции почворыхлящих пластин.
Усилия сопротивления определяются по известной формуле В.П. Горячкина. Метод основан на предположении, что усилия резания пропорциональны площади лобового взаимодействия и коэффициентам, учитывающим сопротивляемость среды разрушению и перемещению.
a
a
2
F=G⋅f+k⋅⋅b+ε⋅⋅b⋅υ,
а
где F - сила тяги плуга; G - вес плуга;  - коэффициент трения грунта по стали; k - коэффициент удельного сопротивления среды (почвы);  - глубина пахоты; b - ширина пахоты; ε - коэффициент, учитывающий сопротивление, возникающее при отбрасывании вырезанного пласта грунта; υ - скорость движения плуга.
а
i
В этой формуле определяющим является второй ее член k⋅⋅b, отражающий влияние площади лобового контакта почвообрабатывающего орудия и удельного сопротивления почвы. В рассматриваемом случае площадь лобового контакта S согласно фиг. 2 и 3 равна S=В⋅h, где  То есть усилия сопротивления F при постоянных ширине захвата В⋅и длине почворыхлящих пластин  зависят от угла наклона почворыхлящих пластин β.
Отметим, что удельное сопротивление почвы даже на территории одного хозяйства может различаться более чем в 2 раза (Синеоков Г.Н., Панов И.М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. - Москва: Машиностроение, 1977. - С. 31, табл. 4).
i;
Предлагаемый адаптивный глубокорыхлитель работает следующим образом. В процессе глубокого рыхления на почворыхлящие элементы наральник 2 и почворыхлящие пластины 3 и 4, закрепленные посредством шарнира 5 на стойке 1 действует реакция сопротивления почвы деформации (усилия сопротивления) F зависящая от величины коэффициента удельного сопротивления почвы k. Поскольку площадь контакта S у почворыхлящих пластин 3 и 4 в разы больше наральника 2 (за счет больших длины пластин  и ширины захвата В), то определяющим плавность хода глубокорыхлителя являются усилия F, действующие на почворыхлящие пластины 3 и 4. Главным условием функционирования адаптивного глубокорыхлителя является постоянство усилия F выполняемое при условии F=const. Это обеспечивается при изменении плотности (твердости) почвы тем, что почворыхлящие пластины 3 и 4 могут изменять текущую величину вертикальной проекции h (соответственно площадь лобового контакта S) посредством варьирования угла наклона β. Возможность изменения угла наклона почворыхлящих пластин обеспечивается упругим элементом 9 (пружиной или резиной) установленным в некруглом отверстии 6 между нижней поверхностью планки 7, соединяющей почворыхлящие пластины 3 и 4, и нижней кромкой 10 некруглого отверстия 6. Диапазон изменения угла наклона почворыхлящих пластин (20…40 градусов) определяется допускаемыми значениями коэффициента разрыхления и ограничен в верхнем положении верхней кромкой 11 некруглого отверстия 6, а в нижнем положении ступенькой (выступом) 12 в задней боковой кромке некруглого отверстия 6. Жесткость упругого элемента 9 задается таким образом, чтобы при минимальной плотности почвы обеспечить устойчивое положение почворыхлящих пластин 3 и 4 в крайнем верхнем положении, а при встрече рыхлителя с зоной повышенной плотности угол поворота пластин уменьшить до уровня стабилизации усилий сопротивления.
Предложенная новая конструкция адаптивного глубокорыхлителя имеет существенные отличия от прототипа и отвечает критерию новизны.