ДИСК СФЕРИЧЕСКИЙ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ОРУДИЯ

Область техники.
Предлагаемая полезная модель предназначена для использования в почвообрабатывающих орудиях, где рабочим органом является сферический диск.
Уровень техники;
Известен диск (см. патент Германии DE-OS №2828203) [1], содержащий перфорацию каплевидной формы, расположенную по кругу диска близко к его периметру и основанием капли, повернутой к кромке диска. Такой диск должен заглубляться легче, но сопротивление трению скольжения по остальной части внутренней поверхности диска остается неизменно большим. Отсутствуют конкретные координаты расположения и площадь каплевидных просечек.
Диск сферический почвообрабатывающий (см. патент на ПМ RU 78621 U1 МПК A01B 7/00 (2006.01)) [2], отличается тем, что прорези по сфере диска выполнены радиально или под углом к радиусу диска, при этом суммарная площадь диска составляет 10-30% от площади диска, промежутки между дисками образуют систему спиц, ширина которых составляет 0,7-1,5 среднего значения ширины прорези. Здесь тоже основное внимание уделяется общей площади прорезей по отношению к общей площади диска и ширине промежутков между прорезями, т.е. спицами по отношению к среднему значению ширины прорези. Однако изготовить такой диск невозможно, так как не содержит конкретной области размещения прорезей на диске. Аналогичные недостатки присущи дисковым рабочим органам для дисковых борон и других патентов: патент США №4099576 [3], патент на изобретение RU 2438282 [4].
Известен диск сферический почвообрабатывающего орудия (см. патент на изобретение RU 2381639 C1 МПК A01B 15/16, A01B 23/06 (2006.01)) [5], выбранный в качестве прототипа, где сферический диск имеет прорези и отверстия в центральной части для установки и крепления корпуса подшипника или оси, отличающийся тем, что прорези выполнены в виде криволинейного четырехугольника с радиальными сторонами, выполненными по кривой, например, параболической формы, причем криволинейные радиальные стороны выпуклой стороной ориентированы в направлении вращения диска. Недостатком такого диска является отсутствие обоснования области размещения и площади прорезей.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является разработка диска с обоснованными областями размещения и общей площади прорезей, обеспечивающими снижение тягового сопротивления и качества обработки почвы - полноты подрезания почвы и уничтожения сорняков по всей ширине обработки почвы до полного износа диска и повышенную проходимость дискового орудия при обработке влажных и переувлажненных почв.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что прорези диска расположены в строго обоснованной области, учитывающей износ диска в процессе его эксплуатации, и предельно допустимую общую площадь прорезей, при которой сохраняется требуемая прочность диска, обеспечивается более высокая проходимость дискового орудия при обработке влажных и переувлажненных почв без налипания и снижение тягового сопротивления.
Раскрытие полезной модели.
Технический результат достигается тем, что в диске сферическом почвообрабатывающего орудия, имеющем режущую кромку, прорези и отверстия в центральной части для установки и крепления корпуса подшипника или оси, согласно полезной модели прорези расположены на диске в пределах кругового кольца, внешним диаметром которого является минимальный диаметр диска, при котором еще сохраняется допустимая высота гребней на дне борозды, и внутренним диаметром, равным диаметру корпуса подшипникового узла.
При этом прорези в круговом кольце выполнены с максимально возможной общей площадью, при условии сохранения минимально требуемой прочности диска.
Краткое описание чертежей.
Фиг. 1 - схема напряжений, возникающих при условии, когда наблюдается скольжение почвы по материалу диска (стали) без налипания.
Фиг. 2 - схема напряжений, возникающих при условии, когда скольжение почвы по материалу диска (стали) не наблюдается.
Фиг. 3а, 3б - схемы фрагментов сферического диска.
Фиг. 4 - схема параметров распределения прорезей.
Фиг. 5 - схема сферического диска почвообрабатывающего орудия.
Осуществление полезной модели.
Более подробно сущность полезной модели можно объяснить следующим образом.
При обработке почвы дисковыми боронами и лущильниками возникают граничные поверхности между почвой и внутренней сферой рабочих органов, а конкретней, между почвой и сталью, а также между прилегающими друг к другу почвенными телами - между тонким слоем почвы, налипшей на рабочий орган и пластом почвы, движущейся по внутренней сфере диска (фиг. 1 и 2). В общем случае при таких относительных перемещениях возникают напряжения, действующие поперек поверхности раздела двух тел - пласта почвы о материал внутренней сферы диска, т.е. о сталь и пласта почвы о почву, налипшую на поверхность внутренней сферы диска. Нормальная составляющая этого напряжения вызывает силы трения скольжения, тангенциальная составляющая которой есть напряжение сдвига, обусловленное трением.(А. Кулен, X. Куиперс, Современная земледельческая механика. М., Агропромиздат, 1986, с. 132-133).
п
По заключению А. Кулен и Х. Куиперс зависимость характеристик почвы и материала из условий налипания почвы на диске можно выразить выражением нормальной составляющей а общего напряжения Р.
a
где  - адгезия;
c - когезия;
φ - угол внутреннего трения;
n
n
n
- оэффициент трения почвы о материал диска (сталь). Следовательно продвижению почвы без налипания будет способствовать возрастание σ. Поэтому в этой связи целесообразно применение дисков с прорезями, которые увеличивают σ, так как , где S - общая площадь контакта почвы с поверхностью внутренней сферы диска, P - нормальная составляющая общего напряжения P.
Трение почвы при скольжении ее по рабочей поверхности и прилипание - явления разные, но они проявляются одновременно. Заметим при этом, что, если сопротивление трению скольжения не зависит от площади их прилегания друг к другу т.е. F=fN, то сопротивление скольжению от прилипания зависит от площади их контакта S. Вызываемое ими общее сопротивление скольжению T характеризуется следующим уравнением (см. Н.И. Кленин, В.А. Сакун. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. М., Колос, 1994, с. 17-19).
где F - сопротивление скольженю почвы о сталь (о поверхность внутренней сферы диска);
np
T -сопротивление скольжению от прилипания;
o
p - коэффициент касательных сил удельного прилипания при отсутствии нормального давления;
f - коэффициент трения скольжения;
S - площадь контакта почвы с поверхностью внутренней сферы диска;
p - коэффициент касательных сил удельного прилипания, вызываемого нормальным давлением.
Анализ выражения (2) тоже показывает, что общее сопротивление T можно снизить путем уменьшения площади возможного прилипания. Поэтому с точки зрения снижения тягового сопротивления необходимо повышать площадь прорезей поверхности сферического диска и при этом пределом увеличения площади выреза может быть только сохранение требуемой прочности диска.
дmin
n
Диск почвообрабатывающего орудия в процессе работы изнашивается и при этом уменьшается его диаметр. Также известно, что радиус диска R меньше которого невозможно обеспечить требуемую величину высоты гребней на дне борозды h при обработке смежных полос почвы дисками, расположенными в поперченном направлении в одном из разных рядов на расстоянии b и известных углах атаки α и угла наклона диска β определяются выражением (Ф.Н. Канарев. Ротационные почвообрабатывающие машины и орудия. М., Машиностроение, 1983, с. 87.) (фиг. 3а, 3б):
n
дmin
дmin
Пример. При значениях: b=80 мм, h=40 мм, α=18°, β=10° получим R=226,5 мм или диаметр диска D=453 мм.
n
n
дmin
Если на дисковой бороне установлены диски диаметром D=560 мм, то после его износа до диаметра D=453 мм нельзя далее использовать их, так как гребнистость на дне борозды h уже начнет выходить за пределы допустимого значения h=40 мм и даже далее появятся целые необработанные полосы. Следовательно, допустимый диаметр диска D - первое ограничение.
к
Второе ограничение вызвано только конструктивными особенностями. Это диаметр корпуса D подшипникового узла, к которому крепится диск и закрывает часть его площади.
дmin
n
к
Таким образом, прорези могут быть расположены только в пределах кругового кольца (М.Я. Выгодский. Справочник по элементарной математике. М., Наука, 1975, с. 297) с центром, совпадающим с центром диска, с внешним диаметром D, определяемым исходными требованиями к гребнистости дна борозды h и внутренним диаметром И, равным диаметру подшипникового узла, к которому крепится диск (фиг. 4).
Вторым важным параметром предлагаемого сферического диска почвообрабатывающего орудия, как это показано в описании, являются непосредственно прорези. Само утверждение, что чем больше общая площадь всех прорезей, тем меньше будет налипание почвы и тяговое сопротивление - это уже параметр. Но так как полностью вырезать круговое кольцо невозможно, то утверждение наложения условия обеспечения достаточной прочности в области прорезей - дополнительный параметр ограничения площади всех прорезей.
дmin
Ни в одном из перечисленных патентов, выявленных из уровня техники, нет достаточно четких определений и отправных рекомендаций расположения прорезей. Это может привести к недостаточному использованию потенциала эффективности рабочего органа при чрезмерном удалении начала прорезей от лезвия диска из-за уменьшения общей площади прорезей или к уменьшению допустимой величины износа диска, если прорези начинать выполнять в диске ближе к лезвию диска, чем D. Что касается повышения степени крошения почвы дисками с прорезями, таких результатов не зафиксировано в литературе и сами авторы не приводят никаких доказательств по этому поводу. Наши многолетние наблюдения показывают, что налипание на поверхности диска не наблюдается на глубине обработки почвы. На этой глубине внутренняя поверхность диска всегда чистая, краска стерта и поверхность диска даже блестит. Это объясняется тем, что на глубине обработки еще нетронутой плотной почвы нормальное давление на поверхность диска повышенное, что приводит к повышению сопротивления трению скольжения и, следовательно, к очищению прилипшей почвы. При дальнейшем продвижении отрезанного пласта почвы по поверхности диска почва постепенно разрыхляется, ее нормальное давление снижается, равно и трение скольжения почвы о сталь тоже снижается до величины, не способной счищать налипшую почву. Поэтому на диске объем налипшей почвы к центру растет. Это указывает на необходимость уменьшения площади контакта почвы с внутренней поверхностью диска в первую очередь не в зоне заглубления, а с остальной частью внутренней сферы диска.
o
Работает диск следующим образом. При поступательном движении дисковой бороны, дисковые рабочие органы заглубляются в почву. При этом установленные под углом атаки диски сдвигают плотный пласт почвы одновременно воспринимая давление на поверхность внутренней сферы диска на участке заглубления. При достаточной величине нормального давления почвы на глубине ее обработки проявляется только сопротивление трению скольжения почвы, при этом налипающаяся почва счищается повышенным значением трения скольжения. При этом значение этой силы fN больше, чем сила трения пласта почвы о налипшую почву pS+pNS, когда становится необходимым преодолеть внутренние связи почвы. При дальнейшем продвижении пласта из-за уменьшения общей площади опоры пласта на величину площади прорезей удельное нормальное давление на внутреннюю поверхность повышается, что исключает налипание почвы и на остальной части диска. Это указывает на необходимость максимального увеличения площади прорезей при условии сохранения требуемой прочности диска.
дmin
д
к
На фигуре. 5 представлен схематический чертеж сферического диска почвообрабатывающего орудия. Диск имеет установочное отверстие 1 и крепежные отверстия 2 для крепления корпуса подшипника. Диск снабжен прорезями 3, расположенными на круговом кольце с внешним диаметром D - диаметр диска, меньше которого повышается тяговое сопротивление, нарушается высота дна борозды; D - диаметр диска; D - диаметр корпуса подшипникового узла, обеспечивающие очистку диска от прилипающей к диску почвы и сохраняющие требуемую прочность.
Расположение прорезей диска на круговом кольце с рекомендуемыми параметрами внешнего и внутреннего диаметров обеспечит снижение тягового сопротивления диска и повысит проходимость дискового орудия при обработке влажных и переувлажненных почвы, снизит тяговое сопротивление, устойчивое подрезание почвы и сорняков по всей ширине обработки почвы, т.е. обеспечит достижение технического результата.
Изобретение промышленно применимо и может быть изготовлено в заводских условиях.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1. Патент Германии DE-OS №2828203.
2. Патент на ПМ RU №78621. ДИСК СФЕРИЧЕСКИЙ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ОРУДИЯ. Опубликовано 10.12.2008.
3. Патент США №4099576.
4. Патент на изобретение RU 2438282РАБОЧИЙ ОРГАН ДИСКОВЫХ ОРУДИЙ. Опубликовано 10.01.2012.
5. Патент на изобретение RU 2381639 ДИСК СФЕРИЧЕСКИЙ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ОРУДИЯ. Опубликовано 20.02.2010 - наиболее близкий аналог.