Режущий элемент роторного почвообрабатывающего орудия

Область техники.
Техническое решение относится к области сельскохозяйственного машиностроения, а именно к режущим элементам почвообрабатывающих орудий с вращающимися бесприводными рабочими органами, предназначенных в том числе для рыхления почвы, измельчения пожнивных остатков, уничтожения сорняков.
Предшествующий уровень техники.
Известна ротационная мотыга для обработки почвы (патент SU 1804276, 1993), режущими элементами которой являются зубья, закрепленные на диске. Зубья искривлены и изогнуты назад. Зубья имеют треугольное поперечное сечение. Стороны зуба, образующие режущую кромку, пересекаются под углом от 3 до 40 градусов. Для правого и для левого расположения мотыги зубья могут иметь сечение в форме равнобокой трапеции с двумя режущими кромками.
Известна также вращающаяся мотыга (патент ЕА 18641, 2013), режущими элементами которой являются лопатки, закрепленные на рыхлительном колесе. Лопатки отогнуты назад относительно направления вращения колеса и имеют в сечении форму равнобокой трапеции.
Известен также культиватор (заявка ЕА 201991663, 2019), дугообразные мотыжные зубья (ножи) которого радиально закреплены на мотыжных колесах. Свободные концы мотыжных зубьев, взаимодействующие с почвой, изогнуты назад в направлении, противоположном направлению вращения колеса. На свободном конце мотыжный зуб имеет увеличенную ширину по сравнению с шириной остальной части зуба. На свободном торце зуб имеет заточку.
Недостатком указанного аналога является малый срок полезного использования мотыжных зубьев при их использовании на тяжелых почвах, содержащих камни, и произвольном выборе материала их изготовления, доступного для применения в качестве рабочих органов почвообрабатывающих орудий.
Раскрытие заявляемого технического решения.
Режущий элемент относится к деталям почвообрабатывающего орудия, непосредственно контактирующим с почвой. При работе такой режущий элемент подвержен переменному давлению со стороны почвы и истиранию. Поэтому для обеспечения длительного срока службы он должен обладать свойствами, снижающими износ и изменение геометрии.
Технической задачей, на решение которой направлено техническое решение, является обеспечение удовлетворительного срока службы режущего элемента роторного почвообрабатывающего орудия при его применении, в том числе, в сложных условиях при наличии в почве валунно-галечных отложений.
Техническим результатом, обеспечиваемым техническим решением, является повышение износостойкости, что приводит к увеличению в два - три раза срока службы режущего элемента в сложных условиях при наличии в почве валунно-галечных отложений.
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что режущий элемент роторного почвообрабатывающего орудия содержит прямолинейный, первый дугообразный и второй дугообразный участки. Первый дугообразный участок выполнен в профиле в форме равнобокой трапеции. Второй дугообразный участок снабжен лопаткой, толщина которой меньше толщины первого дугообразного участка, а ширина - больше ширины первого дугообразного участка. Режущий элемент и лопатка выполнены из материала с твердостью по Роквеллу от 40 до 60 HRC.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивающих достижение заявленного технического результата.
Наличие лопатки позволяет повысить скорость заглубления режущего элемента в почву за счет того, что лопатка расположена в месте первого контакта элемента с почвой и она относительно тонкая, что увеличивает удельное давление на почву, благодаря чему и повышается скорость заглубления. Это приводит также к тому, что снижается время контакта режущего элемента с почвой. Вместо того, чтобы скрести по поверхности земли без вращения, режущий элемент заглубляется в почву и выполняет необходимую работу за меньшее время. Это сокращает истирающее воздействие почвы на режущий элемент. В сочетании с выполнением режущего элемента из материала с вышеуказанной твердостью это приводит к обеспечению требуемого повышения износостойкости.
Относительно большая площадь лопатки по сравнению с остальной частью режущего элемента позволяет более стабильно приводить во вращение роторный узел, на котором установлены режущие элементы. Это происходит за счет увеличения действующего на режущий элемент со стороны почвы крутящего момента, который прямо пропорционален силе действия почвы на лопатку, то есть площади лопатки при одинаковом давлении на нее, обеспечиваемом движением орудия. Размещение лопатки на максимальном расстоянии от области крепления режущего элемента к роторному узлу также повышает крутящий момент, который прямо пропорционален расстоянию приложения силы от оси вращения.
Снижение твердости материала режущего элемента ниже 40 HRC приводит к скорой деформации этого элемента, в том числе режущих кромок, к истиранию режущего элемента. Это приводит к нивелированию вышеуказанных преимуществ от наличия лопатки и значительному сокращению срока полезного использования режущего элемента. С твердостью материала связана его характеристика «предел текучести». Чем меньше твердость, тем меньше предел текучести. Применение для режущего элемента материала с низким значением предела текучести приводит к тому, что режущие элементы быстро приобретают остаточную деформацию после использования элементов в почвообрабатывающих орудиях для обработки слабокаменистых, каменистых и тяжелых почвах. Деформированные режущие элементы не могут больше использоваться для обработки почвы и должны быть заменены.
Повышение твердости материала режущего элемента выше 60 HRC приводит к недопустимому повышению хрупкости и уменьшает отказоустойчивость. Применение для режущего элемента материала с большим значением предела текучести приводит к недопустимому снижению ударной вязкости и также уменьшает отказоустойчивость и приводит к разрушению конструкции.
В частных случаях допустимо выполнять заявленное техническое решение следующим образом.
Лопатку целесообразно выполнять заодно со вторым дугообразным участком.
Лопатка может быть неразъемно закреплена на втором дугообразном участке.
Радиус скругления первого дугообразного участка предпочтительно меньше радиуса скругления второго дугообразного участка.
Толщина лопатки желательно составляет от 70% до 30% толщины первого дугообразного участка, а ширина лопатки - от 20% до 60% больше ширины первого дугообразного участка.
Автором заявленного технического решения изготовлены опытные образцы этого решения, испытания которых подтвердили достижение технического результата.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 показан общий вид режущего элемента, на фиг. 2 - вид сбоку, на фиг. 3 - вид сверху.
Осуществление технического решения.
Режущий элемент роторного почвообрабатывающего орудия представляет собой изогнутое по дуге продолговатое изделие, преимущественно, пластинообразное, с изменяющимся вдоль длины поперечным сечением. При этом режущий элемент имеет также прямой участок (1). Форма изгиба задается двумя участками (2, 3) с разными радиусами кривизны. Изогнутые участки гладко сопряжены друг с другом, то есть касательные к этим участкам в месте сопряжения участков совпадают. При этом направления изгиба на обоих участках совпадают.
Режущий элемент изготовлен из материала с твердостью по Роквеллу от 40 до 60 HRC.
Режущий элемент при изготовлении подвергается термообработке: закалке с последующим отпуском. Режимы термообработки для заявленной полезной модели и для целей сравнения с другими известными способами термообработки металлов для сельскохозяйственной техники приведены в таблице.
Режущий элемент может быть изготовлен из сталей 35Х, 40Х, 45Х, 50Г, 60С2, 30MnB5, 55Cr3, 35Г2 и других марок легированных сталей с аналогичным количеством содержания углерода и других легирующих элементов.
Условия термообработки под номерами 3 и 5 в таблице обеспечивают требуемые в соответствии с полезной моделью твердость и упругость, что ведет к повышению прочности, износостойкости и, следовательно, увеличению срока службы режущего элемента роторного почвообрабатывающего орудия.
Под порядковыми номерами 1, 2, 4, 6 в таблице приведены условия термообработки для материалов, изготовленных в целях сравнения режущих элементов по полезной модели с режущими элементами с другими характеристиками твердости.
Прямой участок (1) режущего элемента расположен с одного края этого элемента и предназначен для закрепления элемента в роторном узле почвообрабатывающего орудия. Прямой участок имеет форму полосы со скругленными боковыми гранями. При использовании режущего элемента основная нагрузка на прямой участок заключается в его изгибании перпендикулярно широкой грани. Подбор толщины прямого участка для материала режущего элемента с заявленными выше свойствами обеспечивает необходимую упругость режущего элемента. При этом с одной стороны, режущий элемент изгибается в ответ на деформацию почвой, в которую этот элемент погружается при использовании. Это позволяет снизить ударные нагрузки на другие элементы орудия. С другой стороны, режущий элемент сохраняет свою форму при снятии изгибающих нагрузок.
Наличие широких граней в прямом участке (1) предотвращает кручение режущего элемента при его использовании.
У торца прямого участка на его боковых гранях выполнены пазы (4), предназначенные для закрепления режущего элемента в роторном узле.
Первый изогнутый участок (2) режущего элемента выполнен в профиле трапециевидного сечения. Предпочтительно это сечение имеет форму одинаковой по всей длине равнобокой трапеции. Такое сечение обеспечивает достаточную толщину и, следовательно, конструктивную жесткость участка при одновременном выполнении ребер достаточно острыми для выполнения ими функции подрезания почвы и растительности.
Второй изогнутый участок (3) режущего элемента выполнен с плавным переходом из первого изогнутого участка (2), поэтому имеет в прилежащей к участку (2) области то же сечение. Второй изогнутый участок имеет изгиб большего радиуса кривизны, чем первый участок (2). Второй участок (3) выполнен с плавным изменением поперечного сечения так, что на конце он представляет собой лопатку (5) с уменьшенной толщиной (сплющенной) и увеличенной шириной. Толщина второго участка на конце составляет от 70% до 30% его толщины в месте сопряжения с первым участком (2). Ширина второго участка на конце больше его ширины в месте сопряжения с первым участком (2) на от 20% до 60%.
По предпочтительному примеру реализации режущий элемент выполнен в виде единой детали.
По другому примеру выполнения режущего элемента лопатка может не быть выполнена заодно с остальной частью режущего элемента, а может быть закреплена на нем, например, сваркой или склепкой.
Лопатка может быть размещена не на самом конце второго изогнутого участка (3), тогда этот участок имеет сужающееся продолжение к своему концу. Но лопатка размещена в том месте режущего элемента, которое первым соприкасается с почвой при использовании элемента, установленного в почвообрабатывающее орудие.
Режущий элемент предпочтительно выполнен симметричным относительно проходящей вдоль него плоскости, перпендикулярной лопатке (5) и широкой стороне прямого участка (1). Это обеспечивает возможность переворота режущего элемента при его установке в роторный узел. Таким образом может быть обеспечено вращение роторного узла в разные стороны. Одновременно обеспечивается возможность двукратного увеличения срока службы режущего элемента - если он изношен с одной стороны, переворот элемента на другую сторону обеспечивает такой же ресурс использования.
Описание работы.
Перед использованием режущий элемент закрепляют в роторном узле почвообрабатывающего орудия. Режущие элементы закрепляют, предпочтительно, по окружности диска роторного узла на равном расстоянии друг от друга. При этом вогнутости режущих элементов должны быть направлены в сторону движения орудия, свободные концы при этом направлены в сторону, противоположную вращению роторного узла.
Роторный узел ориентируют осью вращения под углом к направлению движения и под углом к поверхности почвы в плоскости, перпендикулярной направлению движения. При этом ось вращения роторного узла наклонена назад и вправо или влево по отношению к направлению движения.
Размещение режущего элемента на роторном узле и ориентирование роторного узла в орудии может быть выполнено, например, как описано в заявке ЕА 201991663.
При движении орудия режущий элемент касается почвы областью расположения лопатки (5). Задерживаясь почвой, лопатка заглубляется в почву, размельчая ее и срезая сорняки (или пожнивные остатки). Одновременно диск с режущим элементом проворачивается в роторном узле. Далее режущий элемент, двигаясь в почве, измельчает ее и срезает корневую систему сорняков. Попадающиеся в почве небольшие камни трутся о режущий элемент и упруго изгибают его, не нанося ущерба режущему элементу, выполненному с достаточной твердостью и пределом текучести. Изгибание режущего элемента позволяет гасить неравномерность нагрузки (ударные нагрузки) от почвы на орудие, не передавая такую нагрузку на роторный узел и раму орудия.
Промышленная применимость.
Заявляемое техническое решение реализовано с использованием промышленно выпускаемых устройств и материалов, может быть изготовлено на машиностроительном предприятии и найдет широкое применение в области сельскохозяйственного машиностроения.