ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕЕ ОРУДИЕ С ИНЕРЦИОННЫМ ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЕМ
SOIL CULTIVATION IMPLEMENT WITH INERTIA EXCITER

Изобретение относится к отрасли сельскохозяйственного машиностроения, в частности к почвообрабатывающим машинам и орудиям со вспомогательными устройствами, предназначенными для снижения тягового сопротивления агрегатов.
Известны почвообрабатывающие орудия, снабженные различными механическими вибровозбудителями, предназначенными для генерации вынуждающих сил, следовательно, для снижения тягового сопротивления почвообрабатывающих орудий (патенты РФ на изобретения №2005334, А01В 35/20, опубл. 15.01.1994 и №2304371, А01В 11/00, опубл. 20.08.2007, Бюлл. №23; патент РФ на полезную модель №112582, А01В 11/00, опубл. 01.20.2112).
Недостатками известных конструкций являются низкая эффективность работы вибровозбудителей и высокая их энергоемкость.
Наиболее близким техническим решением к данному изобретению по своей сущности и достигаемому результату является почвообрабатывающее орудие (патент РФ №2415526, А01В 35/32, А01В 39/28, опубл. 10.04.2011, Бюлл. №10), которое содержит сварную раму, опорные колеса, рабочие органы, инерционный вибровозбудитель, выполненный в виде шарнирного маятникового вибратора направленного действия с приводом от вала отбора мощности (ВОМ) трактора. Вибратор в свою очередь состоит из двух одинаковых кинематически связанных зубчатых колес с дебалансами, вращающихся с постоянной угловой скоростью в противоположных направлениях, следовательно, генерирует постоянную направленную возмущающую силу.
Недостатком прототипа является высокая энергоемкость вибратора и сложность его конструкции, т.к. для осуществления привода от ВОМ трактора требуется дополнительная механическая передача (редуктор или мультипликатор).
Задачей, на решение которой направлено изобретение является создание силового импульса в направлении поступательного движения агрегата путем внутрициклового изменения угловой скорости вращения дебалансов.
Технический результат - снижение энергоемкости и упрощение конструкции маятникового вибратора.
Это достигается тем, что в известном почвообрабатывающем орудии, содержащим сварную раму, опорные колеса, рабочие органы, инерционный вибровозбудитель, выполненный в виде шарнирного маятникового вибратора направленного действия с приводом, маятниковый вибратор снабжен жестко закрепленным на валу привода кривошипом, а одно из зубчатых колес, ось вращения которого смещена относительно оси вращения кривошипа, выполнено с шипом, причем кривошип и шип зубчатого колеса шарнирно соединены между собой при помощи шатуна, образуя в целом плоскую четырехзвенную кинематическую цепь, длины звеньев которой согласуются по следующим выражениям:  где  - длина кривошипа,  - длина шатуна,  - длина, равная величине смещения оси вращения зубчатого колеса относительно оси шипа,  - длина, равная величине смещения оси вращения зубчатого колеса относительно оси вращения кривошипа. Кроме того, привод вибратора выполнен в виде гидромотора, снабженного дросселем-расходомером.
На фиг. 1 изображено почвообрабатывающее орудие в рабочем положении; на фиг. 2 - кинематическая схема маятникового вибратора, на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2, на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 3.
Почвообрабатывающее орудие (фиг. 1) состоит из сварной рамы 1, механизма навески 2, опорных колес 3, механизма 4 регулировки глубины обработки, рабочих органов 5, шарнирно закрепленного на раме 1 маятникового вибратора 6 направленного действия и механизма его привода - гидромотора 7 (фиг. 3), снабженного дросселем - расходомером 8. На валу 9 гидромотора 7, который своим фланцем крепится к корпусу 10 вибратора, жестко закреплен кривошип 11 (фиг. 4), а кинематически связанные между собой одинаковые зубчатые колеса 12 и 13, выполненные с дебалансами соответственно 14 и 15, установлены на подшипниковых опорах 16. В то же время, одно из зубчатых колес вибратора, например, зубчатое колесо 13 выполнено с шипом 17. Ось вращения зубчатого колеса 13 конструктивно смещена относительно оси вращения кривошипа 11 на величину, равную длине четвертого звена  В свою очередь кривошип 11 и шип 17 шарнирно соединены между собой при помощи шатуна 18 (фиг. 4). С точки зрения курса теории механизмов в результате такого шарнирного соединения звеньев образуется плоская четырехзвенная кинематическая цепь. Она может быть двухкривошипным и в то же время преобразовать постоянную угловую скорость гидромотора 7 в неравномерное угловое вращение дебалансов 14 и 15, лишь при согласовании длин звеньев по следующим выражениям:  где  - длины первого, второго, третьего и четвертого звеньев кинематической цепи.
Работает почвообрабатывающее орудие следующим образом. При поступательном движении агрегата рабочие органы 5 внедряются в почву на необходимую глубину обработки. Включается в работу гидромотор 7, подключенный к гидросистеме трактора (на фиг. 3 условно не показана). Частота вращения гидромотора 7 устанавливается посредством дросселя-расходомера 8. Крутящий момент от гидромотора 7 передается через кривошип 11, шатун 18 на зубчатое колесо 13. В связи с тем, что зубчатое колесо 13 кинематически связано с зубчатым колесом 12 их дебалансы 15 и 14 благодаря конструктивной особенности четырехзвенной кинематической цепи начинают вращаться с неравномерной за оборот угловой скоростью в противоположных направлениях. Неравномерный характер вращения дебалансов 14 и 15 обеспечивает генерацию неравномерной за оборот направленной вынуждающей силы маятникового вибратора.
-1
Максимальное значение вынуждающей силы соответствует максимальному значению угловой скорости дебалансов, которая достигается при угле поворота кривошипа ϕ=0°(360°) (фиг. 4) и вычисляется по формуле:  где ω - угловая скорость кривошипа, с;  - отношение длины четвертого звена к длине первого звена (кривошипа).
Минимальное значение вынуждающей силы соответствует минимальному значению угловой скорости дебалансов, которая достигается при угле поворота кривошипа ϕ=180° и вычисляется по формуле:
Разность максимального и минимального значений вынуждающей силы, генерируемой вибратором, создает дополнительный силовой импульс в направлении поступательного движения агрегата, причем шарнирное закрепление вибратора на раме позволяет менять направление этого импульса в продольно-вертикальной плоскости.
Предлагаемое техническое решение задачи позволяет при прочих равных условиях снизить энергоемкость вибратора, а, следовательно, энергоемкость технологического процесса обработки почвы. Рассмотрим это на конкретном примере.
-1
-1
Исходные расчетные данные для обоих вариантов одинаковые: масса дебалансов m=4,95 кг; эксцентриситет массы дебаланса е=0,05 м; частота вращения вала привода (кривошипа) n=750 мин. Угловая скорость привода (кривошипа), которая является постоянным параметром: ω=πn/30=3,14⋅750/30=78,5 с.
Прототип. Величина вынуждающей силы, создаваемой двумя дебалансами маятникового вибратора:
2
2
F=2mωe=2⋅4,95⋅78,5⋅0,05=3050,3 Н.
Предлагаемое техническое решение. При выбранных исходных параметрах кинематической цепи:  максимальная угловая скорость вращения дебалансов:
Следовательно, максимальная вынуждающая сила вибратора, возникающая при вращении двух дебалансов:
Таким образом, внутрицикловое изменение угловой скорости дебалансов в течение периода (одного оборота) позволяет при прочих равных условиях увеличить величину вынуждающей силы в виде импульса в 4 раза (12201,2/3050,3=4). Следовательно, для получения вынуждающей силы дебалансов вибратора прототипа, равной 3050,3 Н, в предлагаемом техническом решении угловую скорость вращения дебалансов можно снизить в 2 раза, что приведет к резкому снижению энергоемкости технологического процесса. Кроме того, использование в качестве привода вибратора гидромотора упрощает конструкцию, поскольку отпадает использование дополнительных механических передач.