АЭРАТОР ДЕРНОВЫХ ПОЧВ

Полезная модель относится к почвообрабатывающим орудиям, предназначенным для поверхностной безотвальной обработки почвы и, в частности, для аэрации дерновых почв сельскохозяйственных полей, садовых и приусадебных участков, городских газонов, спортивных площадок, например, футбольных полей и других аналогичных по ландшафту территорий.
Из общего уровня техники, представленного как в патентных, так и научно-технических источниках информации, широко известны пешеходно-ездовые агрегаты с прицепными и навесными орудиями, далее - культиваторы, сельскохозяйственные орудия для рыхления почвы, междурядной обработки, уничтожения сорняков, аэрации (насыщения почвы воздухом) и пр.
Из патента США №3881553, МПК А01В 45/02, опубликованного 06.02.1973 известен культиватор, предназначенный для аэрации почвы, приводящийся в действие мускульной силой человека или животного (живосильный привод). Этот агрегат удобно использовать в том случае, когда необходимо обработать незначительный по площади участок мягкого грунта. Процесс аэрации при этом бесшумный, что очень важно, когда, например, на соседних дачных участках находятся отдыхающие люди. Однако обработка значительных по площади твердых участков грунта требует существенных физических затрат и много времени.
Применение для культивации почвы, например, ее аэрации, мотоблоков (с силовым агрегатом на базе двигателя внутреннего сгорания, или электродвигателя) позволяет существенно уменьшить долю ручного труда и значительно экономить время. Из зарубежных источников информации, например, заявок на патенты США №2008/0053670 А1 (опубликован 06.03.2008), №2009/0236106 А1 (опубликован 24.09.2009), оба по классу МПК А01В 45/02, известны культиваторы, предназначенные для аэрации грунта и имеющие привод от мотоблоков. При этом в заявке США №2008/0053670 А1 представлено использование навесного орудия - аэратора, а в заявке №2009/0236106 А1 представлено использование прицепного аэратора. Широко известны освоенные отечественной промышленностью и широко применяемые на практике мотоблоки «Ока», «Нева», «Каскад» (см. Пособие для садоводов и огородников, «Мотоблоки типа МБ, устройство, диагностика, ремонт, каталог основных деталей, навесные орудия и агрегаты, составители Петухов А.И., Петухов А.В., Котомин О.Н., изд. 1997). Названные мотоблоки предназначены для привода в действие многочисленных навесных и прицепных орудий и агрегатов, предназначенных для выполнения самых различных работ, например, на приусадебных участках. В частности, это фрезы-культиваторы, плуги, окучники, выкапыватели корнеплодов, колеса с зацепами, грабли, косилки и др.
Из уровня техники известно устройство для аэрации с одновременным инъектированием жидких веществ в почву, авторское свидетельство СССР №1147265 А01С 23/02, опубликовано 27.05.1983. Недостатком этого устройства является то, что исполнительный рабочий орган - игла недостаточно эффективно выполняет аэрацию почвы (особенно дернины лугов и пастбищ). Кроме того, конструкция устройства сложная и ненадежна в работе.
Известны также «Рабочий орган для внесения жидких удобрений в почву», авторское свидетельство СССР №1366090 А1 С 23/02, опубликовано 25.02.1986 и «Устройство для внесения удобрений», авторское свидетельство СССР №1464940 А1 С 23/02, опубликовано 22.05.1986. Главным недостатком их является высокое тяговое сопротивление, а потому их агрегатируют, как правило, тракторами с гусеничными движителями, которые повреждают корневую систему и растительный слой кормовых угодий. При этом аэрация почвы выполняется указанными устройствами в виде продольных сплошных щелей, приводящих к водной эрозии и удобрения вносятся также локально.
Общим недостатком всех способов обработки эрозионно-опасных почв является то, что механическое воздействие осуществляется в основном горизонтально установленными рабочими органами в направлении, параллельном поверхности почвы, что также увеличивает опасность стока почвенной и поверхностной влаги.
Известна секция почвообрабатывающего орудия, патент RU 2074590, С1, МПК А01В 11/00, опубликован 10.03.1997. Устройство содержит раму, на которой установлена приводная звездочка с кривошипом, Г-образный рычаг, ползун, коромысло и штангу. Рабочий орган (стрельчатая лапа) движется в почве, совершая плоскопараллельные движения по траектории грушевидной формы, геометрическая большая ось которых наклонена к горизонту. При глубокой обработке известными орудиями неплодородный слой выворачивается на поверхность поля, а верхний плодородный наоборот перемещается на дно борозды и не может активно участвовать в развитии и росте растений, в формировании урожая.
С целью повышения качества обработки почвы, в патенте России №2321195, опубликован 10.04.2008, безотвальная обработка почвы осуществляется почвообрабатывающим орудием, рабочие органы которого приводятся в движение с помощью кривошипно-коромыслового механизма от вала отбора мощности трактора. Полезная модель «Аэратор-удобритель», защищенная патентом №80649, МПК А01С 23/00, опубликован 20.02.2009, является дальнейшим совершенствованием почвообрабатывающего орудия для безотвальной обработки почвы (патент на изобретение RU №2321195 С2, 13.10.2005. Аэратор-удобритель содержит исполнительные вильчатые рабочие органы и их привод, который выполнен в виде кривошипно-коромыслового механизма. Вильчатый рабочий орган выполнен пустотелым и криволинейной формы с радиусом кривизны, равным длине шатуна, и высотой, равной максимально заданной глубине обработки. Здесь аэрация почвы осуществляется за один проход агрегата, с приводом исполнительных вильчатых рабочих органов от вала отбора мощности трактора через редуктор и кривошипно-коромысловый механизм. Аэрация в виде дрен (кротовин) получается путем вертикального ввода в дернину вильчатых рабочих органов на глубину залегания дернового слоя до 25 см. При этом дрены располагаются в шахматном порядке, что исключает появления сплошной линии, по которой мог бы идти поверхностный сток, и возникла бы опасность развития эрозионных процессов. Кривошипно-коромысловый механизм состоит из ведущего звена кривошипа, шатуна, коромысла, редуктора 10 и аэратора вильчатого рабочего органа. При движении аэратора вильчатые рабочие органы совершают циклические движения, за каждый оборот кривошипа, делая дрены почти вертикальные.
Основной, существенный недостаток рассмотренной полезной модели в том, что он является навесным орудием трактора, приводимым от его вала отбора мощности, ходовые элементы (колеса, гусеницы) которого осуществляют замятие почвы. Можно говорить и о недостаточной маневренности этой сельскохозяйственной машины. Следует отметить и сложность устройства самого аэратора.
В качестве прототипа выбрано устройство для рыхления почвы, патент SU 1658805АВ, БИ №23, опубликован 23.06.91. содержащее продольную балку с закрепленными в разных ее частях рабочими органами. Посредством шарниров, рычага и кривошипа балка подвешена на раме с возможностью колебаний в продольно-вертикальной плоскости, так что рабочие органы описывают в почве эллипсообразные циклоиды.
Недостатком указанного устройства является то, что оно производит послойное рыхление, при этом образуются на дне борозды, гребни и огрехи между соседними рабочими органами, неоднородность обработки почвы и высокие энергозатраты. Кинематика движения рабочего органа в прототипе обуславливает высокие усилия на узлах и элементах крепления из-за применения кривошипно-коромыслового механизма, что является критичным с точки зрения увеличения общего веса конструкции и износа движителя (мотоблока) для недорогой, легкой и маломощной садовой техники, по сравнению с кривошипно-шатунным механизмом. Недостатком, для возможного применения с движителями в виде мотоблоков и мотокультиваторов также является вынос точки приложения усилия рабочего органа на почву в сторону от центра тяжести движителя.
Задача полезной модели - повышение эффективности и качества аэрации почвы, за счет оптимизации расположения рабочих органов, а также увеличение ресурса движителя (мотоблока).
Совокупность признаков полезной модели, находящаяся в причинно следственной взаимосвязи с достигаемым техническим результатом представлена в независимом пункте формулы полезной модели. Аэратор дерновых почв содержит исполнительный орган, оснащенный рабочими иглами и его привод, кинематический связанный с валом отбора крутящего момента движителя. Исполнительный орган аэратора выполнен в виде платформы, снабженной присоединительными элементами к валу отбора крутящего момента движителя, в качестве которого используется промышленный мотоблок, например, типа «Нева», «ОКА», «Каскад», при этом привод исполнительного органа выполнен в виде кривошипно-шатунного механизма и элементов кинематики, обеспечивающих возможность плоско-параллельного перемещения исполнительного органа в продольно-вертикальном направлении.
Исполнительный орган выполнены в виде, по крайней мере, одной плоской, отперфорированной сквозными отверстиями пластины, в которой смонтированы рабочие иглы. Перфорация плоских пластин может быть выполнена в шахматном порядке. Рабочие иглы могут быть выполнены сплошными или полыми. Острие рабочей иглы может иметь форму плоского скоса, со стороны, противоположной центру качания исполнительного органа. Рабочие иглы сориентированы по касательной к окружности, описываемой платформой во время рабочего хода.
Такое конструктивное исполнение аэратора позволяет за один рабочий ход подвергнуть обработке значительную площадь задерненного участка почвы.
Кривошипно-шатунный механизм включает, по крайней мере, закрепленный на платформе шатун, шарнирно взаимодействующий с смонтированными на валу отбора крутящего момента движителя кривошипами вертикального и горизонтального хода платформы. Элементы кинематики исполнительного органа включают, по крайней мере, тяги горизонтального хода платформы, маятниковый рычаг, рычаг крепления платформы на опорной оси маятникового рычага и сцепку крепления оси качания маятникового рычага с корпусом движителя.
В отличие от прототипа, кривошипно-шатунный механизм привода с эллиптической формой движения рабочего органа в этом отношении более подходит из-за меньшей массы при сопоставимых параметрах и более удачного расположения рабочего органа в области центра тяжести агрегата. Траектория движения острия рабочей иглы, в сравнении с прототипом, отличается по форме из-за прерывистого характера движения агрегата, сохраняет неизменным точку входа-выхода рабочей иглы из лунки в процессе цикла движения. Это не только предотвращает повреждения дерна, но и позволяет тратить на рабочий ход рабочей иглы меньше энергии из-за уменьшения затрат на деформацию поверхностного слоя почвы (дерна) от горизонтального перемещения иглы в ходе рабочего цикла, что является существенным положительным фактором для маломощной и легкой садовой техники.
Здесь, надо отметить, что прерывистый ход агрегата имеет и отрицательную сторону - необходимость ограничения скорости агрегата, чтобы уровень вибраций при работе не превышал допустимого для механизмов и оператора предела. Однако для маломощной техники это обстоятельство не сказывается на его производительности, поскольку ограничение по мощности движителя и так не позволяют развивать скорость движения, превышающий предел допустимого по уровню вибраций.
В более сложном варианте исполнения исполнительный орган аэратора выполнен в виде, по крайней мере, двух, конструктивно подобных платформ, расположенных симметрично продольной оси движителя и шарнирно закрепленных посредством шатунов на кривошипах горизонтального и вертикального хода платформы.
Аэратор дерновых почв для устойчивости при работе оснащен опорными элементами в горизонтальной плоскости, расположенными по внешнему контуру рабочей зоны платформы. В качестве опорного элемента использованы пары передних и задних колес. При этом, передние колеса могут быть установлены на жестко закрепленных осях, а задние колеса на поворотных осях, на стойках с возможностью регулируемого изменения высоты установки.
Такие конструктивные изменения, в сравнении с исследуемым прототипом, достигнуты методом интуитивно-логического анализа проблемы, обозначенной представленным выше анализом уровня техники и аналитической работы по формированию наилучшего конструктивного решения эмпирическим путем.
Сравнение и анализ научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежных рубриках МПК показывает, что совокупность существенных признаков заявленного технического решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».
Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть реализовано промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Другие особенности и преимущества полезной модели как технического решения станут понятны из чертежей, и детального описания заявляемого устройства, где:
На Фиг.1 изображена схема наиболее простого частного случая конструктивного исполнения аэратора дерновых почв, охарактеризованного признаками независимого первого пункта формулы полезной модели;
На фиг.2 представлена кинематическая схема взаимодействия элементов аэратора, изображенного на фиг.1;
На фиг.3 аэратор по фиг.1 изображен на виде с боку, здесь же дана схема движения острия рабочей иглы. На схеме: Н - полный рабочий ход острия, h - глубина проникновения острия в почву, s - шаг рабочего органа (иглы);
На фиг.4 представлен вид сверху на вариант аэратора, представленного на фиг.1;
На фиг.5 схематично показан частный случай конструктивного исполнения аэратора, представленный зависимым п.10 формулы полезной модели, где исполнительный орган выполнен в виде двух конструктивно подобных фигур.
Представленный на чертежах аэратор дерновых почв содержит исполнительный орган, оснащенный рабочими иглами 1 и его привод, кинематический связанный с валом 2 отбора крутящего момента движителя 3. Исполнительный орган аэратора выполнен в виде платформы 4, снабженной присоединительными элементами к валу 2 отбора крутящего момента движителя, в качестве которого используется промышленный мотоблок, например, типа «Нева», «ОКА», «Каскад». Привод исполнительного органа выполнен в виде кривошипно-шатунного механизма и элементов кинематики, обеспечивающих возможность плоско-параллельного перемещения исполнительного органа в продольно-вертикальном направлении. Исполнительный орган выполнены в виде, по крайней мере, одной плоской, отперфорированной сквозными отверстиями пластины 5, в которой смонтированы рабочие иглы 1. Перфорация плоских пластин может быть выполнена в шахматном порядке. Рабочие иглы 1 могут быть выполнены сплошными или полыми. Острие рабочей иглы 1 может иметь форму плоского скоса, со стороны, противоположной центру качания исполнительного органа. Рабочие иглы сориентированы по касательной к окружности, описываемой платформой во время рабочего хода.
Кривошипно-шатунный механизм включает, по крайней мере, закрепленный на платформе шатун 6, шарнирно взаимодействующий с смонтированными на валу 2 отбора крутящего момента движителя кривошипами вертикального 7 и горизонтального 8 хода платформы 4. Элементы кинематики исполнительного органа включают, по крайней мере, тяги 9 горизонтального хода платформы, маятниковый рычаг 10, рычаг 11 крепления платформы на опорной оси 12 маятникового рычага и сцепку 13 крепления оси 14 качания маятникового рычага 10 с корпусом движителя 3.
В более сложном варианте, см. фиг.5, исполнения рабочий орган аэратора может быть выполнен в виде, по крайней мере, двух, конструктивно подобных платформ 4, расположенных симметрично продольной оси Х-Х движителя 3 и шарнирно закрепленных посредством шатунов 6 на кривошипах 7 и 8. При этом кинематика привода платформ 4 в этом случае совершенна аналогична уже описанной выше.
Аэратор дерновых почв для устойчивости при работе оснащен опорными элементами в горизонтальной плоскости, расположенными по внешнему контуру рабочей зоны платформы. В качестве опорного элемента использованы пары передних 15 и задних 16 колес. При этом, передние колеса могут быть установлены на жестко закрепленных осях, а задние колеса на поворотных осях, на стойках 17 с возможностью регулируемого изменения высоты установки.
При работе на тяжелых грунтах, аэратор может быть утяжелен штатно входящим в состав мотокультиватора дополнительным грузом 18, см. фиг.5.
Описание работы заявляемого аэратора дерновых почв на базе широко применяемых на практике мотоблоков «Ока», «Нева», «Каскад» приводится ниже.
Рабочий ход платформы 4 осуществляется за счет вращения кривошипа 7 вертикального хода, вертикальная составляющая движения которого посредством шатунов 6 передается на платформу 4 с расположенными рабочими органами - рабочими иглами 1, которые могут быть как цельными, так и полыми - в зависимости от необходимой степени обработки почвы. Шаг иглы осуществляется за счет вращения кривошипа 8 горизонтального хода, горизонтальная составляющая движения которого посредством тяги горизонтального хода 9 передается на шарнир опорной оси 12 маятникового рычага 10 на которой одновременно шарнирно подвешен рычаг 11 крепления платформы 4. При необходимости изменения величины шага рабочего органа, шарниры крепления тяги горизонтального хода 9 и рычага 11 крепления платформы 4 могут быть разнесены по разным осям на маятниковом рычаге 10, что даст изменение передаточного отношения и изменит величину горизонтального хода рычага 11 с платформой 4. Для уменьшения горизонтальных ускорений агрегата при работе, возможно изменение угла наклона рабочих игл 1 относительно центра качания рычага 11, а также изменение угла (фазы) расположения шарнира кривошипа 8 горизонтального хода относительно шарнира кривошипа 7 вертикального хода. Изменение величины шага рабочего органа может быть осуществлена также за счет изменения радиуса окружности (плеча) кривошипа 8 горизонтального хода. Глубина обработки почвы определяется параметрами кривошип 7 вертикального хода. Из полного вертикального хода кривошипа 7 необходимо вычесть высоту шага холостого хода при переносе рабочей иглы 1 на следующую рабочую позицию и высоту прыжка агрегата при перемещении. Но в данном случае при применении опорных колес 15 и 16 отпадает необходимость в прыжке для переноса агрегата на следующую рабочую позицию (перемещение агрегата осуществляется непосредственно при рабочем ходе иглы в почве). При этом глубину обработки можно увеличить, при тех же параметрах привошипно-шатунного механизма. Необходимая глубина регулируется изменением высоты расположения опорных колес 15 и 16. Для обеспечения минимальных горизонтальных ускорений агрегата при вхождении рабочего органа (игл) 1 в почву, их ориентация осуществляется по касательной к окружности, описываемой платформой при рабочем ходе (центр окружности расположен в шарнире рычага 11 платформы на маятниковом рычаге 10). Минимальным сопротивлением вхождения в почву обладают рабочие иглы с криволинейной формой поверхности, близкой к окружности, с радиусом равным длине плеча до шарнира рычага платформы (саблевидной формы). Рыхление почвы осуществляется в процессе качания иглы при рабочем ходе за счет изменения высоты центра качания, за счет вертикального перемещения шарнира рычага 11 платформы при качании маятникового рычага 11. Для упрощения конструкции возможно также применение прямых цельных или пустотелых игл цилиндрической формы, оптимизировав их угол расположения на платформе относительно центра качания, расположенного в шарнире рычага 11 платформы. Заточка острия рабочей иглы при этом может выглядеть в форме плоского скоса под углом около 30° с передней (с противоположной от центра качания) стороны рабочей иглы. Опорные колеса 15 и 16 предназначены для поддерживания агрегата в устойчивом положении в горизонтальной плоскости при рабочем ходе и при переносе рабочих игл на новую позицию, не препятствуя движению агрегата вперед под воздействием рабочих органов. Они расположены по внешнему контуру рабочей зоны платформы с рабочими органами и обеспечивают устойчивость и управляемость агрегата в процессе работы. Передние, регулируемые по высоте расположения опоры - колеса выполнены с жестко закрепленными осями, задние - поворотными. Для обеспечения достаточной жесткости соединения с сохранением ориентации и предоставления возможности извлечения для обслуживания и замены, крепление рабочих игл к платформе осуществляется зажимными болтами, в предусмотренных для них в пластинах 5 гнездах-отверстиях бобышек. Для изменения интенсивности обработки почвы, могут быть применены сменные платформы в сборе с разными типами рабочих игл.
Платформа при работе описывает неравнобокий эллипс по отношению к агрегату. По отношению к почве, с учетом движения агрегата, это будет циклограмма в виде чередующихся кусочков эллипса. Движение острия рабочей иглы внутри почвы будет иметь форму наклонной груши, а в общем виде циклоиду с петлями грушевидной формы в почве и кусочками эллипсов в воздухе. В опытном образце полезной модели форма движения платформы напоминает эллипс 180×90 мм. Такая форма необходима для получения высокой амплитуды движения в вертикальной плоскости рабочей иглы (рабочий ход) в сочетании с малой амплитудой в горизонтальной плоскости (движение агрегата на шаг рабочей иглы 1).
При выборе траектории движения исполнительного органа желательно придерживаться равномерного распределения затрат мощности по всему циклу движения:
- прокалывание дерна и заглубление рабочей иглы производить без горизонтального движения агрегата и изменения направления движения острия рабочей иглы,
- в конце хода вниз произвести движение агрегата вперед и изменить ориентацию рабочей иглы в лунке (наклонить), чтобы дополнительно разрыхлить почву внутри лунки,
- при выемки рабочей иглы продолжить движение агрегата вперед,
- на холостом ходу рабочей иглы по воздуху также желательно загрузить движитель, для накопления кинетической энергии для последующего прокалывания дерна.
Конкретные иллюстрации вариантов практической реализации заявленного технического решения, описанные выше, являются по своему характеру лишь частными примерами и не ограничивают притязания заявляемой полезной модели, объем которой определяется формулой полезной модели. Для технических специалистов работающих в данной области техники станут очевидными другие возможные конкретные варианты осуществления заявляемого устройства, которые будут находиться в рамках объема притязаний настоящей полезной модели. Например, опорные колеса 15 и 16 могут быть заменены плоскими башмаками, с рельефной опорной поверхностью, облицованной резиной. Такой прием удешевит и упростит конструкцию, однако существенно усложнит ее перемещение с места на место при нерабочем состоянии.