САДОВЫЙ РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ
GARDEN CUTTING TOOL

Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, в частности к режущим садово-огородным инструментам, применяемым в садоводстве для подрезки цветов и плодов, а также обрезки кустарников, веток или сучьев с растущих деревьев.
Известна конструкция режущего инструмента для садовой растительности, содержащая приводимый в движение от электропривода режущий блок, включающий первый и второй режущие элементы, причем первый режущий элемент имеет заостренную переднюю кромку и может поворачиваться относительно второго режущего элемента около оси, смещенной в область расположения первого режущего элемента, а его зев в открытом положении образован первым и вторым режущими элементами совместно с направляющей (Патент US №20100077621, МПК В26В 13/22, A01G 3/033, 01.04.2010). Недостатком рассмотренной конструкции является то, что она в основном ориентирована на механическую эффективность устройства, а вопросам качества резания уделено недостаточно внимания.
Известна также конструкция секатора, включающая приводимые в движение мускульной силой оператора шарнирно соединенные между собой режущий и противорежущий ножи с рабочей и нерабочей плоскостями, причем противорежущий нож имеет угол заточки режущей кромки со стороны нерабочей плоскости, а со стороны рабочей плоскости режущая кромка противорежущего ножа выполнена с углом заточки, не превышающим угол заточки режущей кромки со стороны нерабочей плоскости, при этом сумма этих углов не превышает угол заточки режущей кромки противорежущего ножа и угол заточки режущей кромки противорежущего ножа со стороны рабочей плоскости не меньше угла прогиба режущей кромки режущего ножа в точке его контакта с режущей кромкой противорежущего ножа (Патент SU №1752171, МПК A01G 3/02, 30.07.1992). Данная конструкция обеспечивает улучшение качества среза благодаря специальной заточке ножей. Однако дополнительно повысить качество среза за счет улучшения характера процесса резания она не позволяет.
Существует секатор, состоящий из шарнирно соединенных режущего и противорежущего лезвий с ручным приводом, отличающийся тем, что шарнирная ось выполнена эксцентриковой с ограничителем ее угла поворота (Патент RU №2088072, МПК A01G 3/02, 27.08.1997). В рассматриваемом устройстве достигается снижение усилия резания и повышение качества резания благодаря сочетанию вращательного и поступательного движений при перемещении режущих лезвий относительно друг друга. Однако данный эффект незначителен, поскольку шарнирная ось имеет небольшую величину эксцентриситета.
max
Известна конструкция садового секатора, содержащая режущий нож с лезвием выпуклой формы, противорежущий нож с рабочей поверхностью вогнутой формы, соединенные между собой шарниром и приводимые в движение мускульной силой посредством рукояток, при этом лезвие режущего ножа выполнено в виде сегмента эксцентрической окружности, геометрические размеры которой определены по формулам: R=2,35d, r=2,75d, e=Rcos(τ), τ=51-57°, где R - радиус сегмента режущего ножа, r - радиус-вектор эксцентричного круга, е - величина эксцентриситета режущего ножа, τ - угол между радиус-вектором и касательной к сегменту, а рабочая часть противорежущего ножа выполнена с вырезом длины l и глубины h, которые находятся в зависимости от максимального диаметра d перерезаемой ветки l=0,3d, h=0,2d, расположенным на рабочей части за ограничительным барьерным возвышением на кратчайшем расстоянии (L) от оси шарнира, причем она смещена в полупространство режущего ножа относительно плоскости, проходящей через крайние точки рабочей кромки режущего ножа нормально к плоскости его вращения (Патент RU на полезную модель №178799, МПК A01G 3/02, 19.04.2018).
Данная конструкция выбрана в качестве прототипа как наиболее близкая к заявленному устройству по технической сущности и достигаемому результату.
Рассмотренная конструкция обеспечивает резание древесины при углах скольжения, позволяющих повысить чистоту поверхности среза.
Вместе с тем данная конструкция имеет и ряд недостатков. Во-первых, в ней не достигнуты максимальные показатели, характеризующие качество резания (в пределах основных габаритных размеров секатора). Во-вторых, максимальный угол т в данной конструкции имеет место в концевой части режущего ножа и его величина уменьшается по мере перемещения вдоль режущей кромки к началу режущего сегмента, то есть качество среза в области выреза на противорежущем ноже имеет наихудшие показатели. Однако именно в этой области предполагается размещение веток большого диаметра для разрезания. Кроме того, большой угловой размер зева (в открытом положении он составляет около 40°) предопределяет высокую вероятность выталкивания веток из клинового пространства зева в процессе разрезания. Именно по этой причине выполнен вырез в противорежущем ноже для предотвращения смещения разрезаемой ветки в направлении от оси шарнирного соединения ножей. В целях размещения разрезаемых веток в области указанного выреза (ближе к основаниям ножей) в секаторе предполагается увеличенное раскрытие ножей относительно друг друга и, соответственно, раздвижение ручек на угол порядка 37°, что также не всегда удобно для операторов, особенно для тех, кто имеет небольшие размеры кистей рук. Ресурс работы лезвия режущего ножа до очередной заточки в рассмотренной конструкции недостаточно высок за счет того, что при разрезании ветки в области выреза работает в основном одна и та же незначительная по длине часть режущей кромки лезвия режущего ножа. Снижение усилия резания в прототипе в значительной мере достигается благодаря размещению разрезаемой ветки в области выреза вблизи оси вращения, а не за счет повышения энергетической эффективности процесса резания как такового.
Задачей изобретения является повышение качества резания, уменьшение максимальной величины угла поворота режущих элементов относительно друг друга, снижение углового размера зева в открытом положении, уменьшение угла выталкивания объекта резания из зева, повышение ресурса работы лезвия режущего ножа и снижение усилий резания благодаря повышению энергетической эффективности данного процесса.
Поставленная задача достигается тем, что садовый режущий инструмент, также как в прототипе, содержит элементы силового привода для передачи механической энергии на режущий блок, включающий первый и второй элементы, посредством взаимодействия которых осуществляется процесс резания, при этом по меньшей мере рабочая кромка первого элемента выполнена режущей и он имеет возможность поворота относительно второго элемента вокруг оси вращения, которая смещена на величину S в полупространство первого элемента относительно плоскости, проходящей через крайние точки рабочей режущей кромки первого элемента нормально к плоскости его вращения.
Согласно изобретению величина смещения S, равная расстоянию от оси вращения первого элемента до прямой, проходящей через крайние точки рабочей режущей кромки первого элемента, удовлетворяет условию
S≥0,38⋅R, мм
где R - радиус дальней крайней точки рабочей режущей кромки первого элемента, относительно оси его вращения, мм.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы в садовом режущем инструменте создать условия для перевода характера резания от так называемого нормального (рубки) к наклонному резанию, а в наилучшем случае- к резанию со скольжением, которое при определенных условиях может возникать в процессе резки упругих материалов (Электронный ресурс. URL: https://helpiks.org/8-24126.html. Дата обращения: 07.02.2020). Причем при переходе к наклонному резанию снижается усилие резания и улучшается качество резания благодаря кинематической трансформации угла заточки лезвия в меньшую сторону, тогда как физически он не меняется и его прочность остается неизменной. При переходе в режим скользящего резания к указанному эффекту трансформации угла заточки лезвия добавляется эффект продольного подрезания, что дополнительно уменьшает усилие резания и повышает качество среза.
Следовательно, целесообразно в процессе резания осуществлять не только перемещение лезвия в нормальном направлении по отношению к разрезаемому объекту, но и его боковое перемещение. Подобный эффект имеет место при осуществлении вращательного движения режущего лезвия по отношению к разрезаемому объекту, что требует более детального анализа данного процесса резания с целью его возможной оптимизации. Для этого можно воспользоваться расчетной схемой, представленной на фиг. 1, где в упрощенном виде представлены крайние положения прямолинейного лезвия для режущего инструмента, выполненного, например, по типу кусачек. Здесь режущее лезвие (режущая кромка) в закрытом положении режущего инструмента изображается отрезком ВС. При этом точка В соответствует началу лезвия, которое удалено от оси вращения О на величину отрезка ОВ. Лезвие ВС расположено под углом β к нормали по отношению к радиусу ОВ. Отрезок OA является нормалью по отношению к лезвию ВС, проходящей через ось вращения О. При повороте лезвия ВС на угол ϕ по часовой стрелке оно займет положение, соответствующее отрезку В'С'. Следовательно, точка В лезвия при этом переместилась на величину BD вдоль лезвия относительно исходного положения и на величину DB' в нормальном к лезвию направлении. Соответственно концевая точка С лезвия переместилась на величины СЕ и ЕС' в указанных выше направлениях. Поскольку разрезаемый объект располагается в зеве между отрезками ВС и В'С' и, как правило, неподвижен в процессе резания относительно линии ВС, то соотношение между отрезками BD и DB' для начала лезвия и отрезками СЕ и ЕС' для конца лезвия дают представление о нормальной и боковой (продольной) составляющих перемещения указанных точек лезвия относительно объекта резания в процессе его разрезания. Аналогичные составляющие могут быть определены для любой другой точки лезвия ВС. Данные соотношения могут быть оценены коэффициентом скольжения К, равным отношению продольной составляющей перемещения точки лезвия к ее нормальной составляющей. Для начала лезвия Кн=BD/DB', а для конца лезвия Кк=СЕ/ЕС'. Следует отметить, что при движении лезвия из открытого положения режущего инструмента (угол ϕ не равен нулю) к его закрытому положению (угол ϕ равен нулю) его точки осуществляют продольные перемещения относительно прямой АЕ в направлении точки А, что обеспечивает возникновение затягивающих сил трения на разрезаемом объекте, направленных в глубину зева и препятствующих выталкиванию объекта из зева.
Расчеты коэффициентов скольжения К на основе расчетной схемы на фиг. 1 показывают, что их величина определяется не только углом между радиус-вектором и касательной в рассматриваемой точке режущей кромки, который используется в качестве критерия качества резания в Прототипе, но и такими параметрами, как угол поворота режущего элемента (угол ϕ на фиг. 1) и величина смещения (S) оси вращения О относительно режущей кромки режущего элемента по нормали к последней (отрезок OA на фиг. 1). Так, например, при β=0°, S=145 мм, L=60 мм (L - длина лезвия, равная отрезку ВС на фиг. 1) значение коэффициента скольжения для начала лезвия при варьировании угла поворота режущего элемента изменяется в соответствии с графиком, представленном на фиг. 2. Как видно из представленной зависимости, величина Кн нелинейно меняется от нескольких единиц приϕ=30° до сотни и более единиц при ϕ=1° и менее при всех прочих постоянных параметрах. Значения коэффициентов скольжения Кк и Кс для конца и середины лезвия также изменяются нелинейно в указанном выше диапазоне изменения угла ϕ (фиг. 3), хотя и с меньшей интенсивностью в сравнении с коэффициентом Кн (фиг. 2), и имеют минимальные значения на верхней границе варьирования угла ϕ. Из приведенных графиков также следует, что величина коэффициента скольжения К уменьшается по мере перемещения от начала к концу прямолинейного лезвия (Кк<Кн). Следовательно, при конструировании режущего инструмента с поворотным режущим элементом необходимо ориентироваться на достижение требуемого качества резания в первую очередь на конце режущей кромки и при максимальном раскрытии зева.
В целях ограничения углового размера зева (для предотвращения выталкивания разрезаемого объекта в процессе резания) и угла раздвижения ручек режущего инструмента (для обеспечения удобства пользования) целесообразно оперировать средним оптимальным углом ϕ, равным порядка 25°, значение которого использовалось в дальнейших расчетах.
Характер изменения коэффициента скольжения К для начала, конца и середины прямолинейного лезвия при варьировании параметра S (отрезок OA на фиг. 1) и прочих постоянных параметрах (ϕ=25°, β=0°, L=60 мм) показан на фиг. 4. Как следует из представленных на фиг. 4 графиков, наибольший коэффициент скольжения достигается в начале лезвия, причем его значение не зависит от параметра S. Коэффициент скольжения для конца лезвия при малых значениях S может принимать нулевое значение или даже быть отрицательным (точка Е лежит слева от точки С на фиг. 1, что соответствует перемещению конца лезвия в направлении выталкивания разрезаемого объекта из зева), а с увеличением параметра S нелинейно возрастает и достигает полутора единиц. Величина коэффициента скольжения для середины лезвия несколько превышает соответствующий показатель для конца лезвия в диапазоне варьирования параметра S. Из представленных кривых также следует, что с уменьшением длины лезвия L возрастают значения коэффициентов скольжения в конце и середине лезвия. Однако минимальная длина лезвия определяется максимальным размером разрезаемого объекта и поэтому параметр L не может варьироваться в сторону его уменьшения.
Таким образом, достигнуть желаемой величины коэффициента скольжения для конца лезвия при полностью открытом зеве режущего инструмента возможно подобрав соответствующее значение параметра S. Известно, что значительное облегчение строгания как вдоль так и поперек волокон древесины, а также повышение чистоты строгания обеспечивают рубанки с косым ножом, угол скоса которых, как правило, составляет от 10° до 15° (Электронный ресурс. URL: https://arsenalmastera.ru/goods/Veritas-7701#show_tab_1;https://rubankov.ru/id/zenzubel-petrograd-20mm-250mm-kosoy-nozh-17739.html; http://www.eletos.ru/articles/123/2576.html. Дата обращения: 08.02.2020). Поэтому показатель скольжения древесины вдоль и поперек лезвия при его минимальном скосе в 10° по отношению к направлению строгания, равный 0,176 (определяется как tg угла в 10°, выраженного в радианах), можно взять в качестве минимального значения коэффициента скольжения конца лезвия при полном открытии зева. Согласно расчетным данным Кк=0,176 может быть получен в садовом режущем инструменте для условий, соответствующих фиг. 4, при величине S, равной около 25 мм. При этом середина прямолинейного лезвия будет иметь коэффициент скольжения порядка Кс=0,512 (фиг. 4), что соответствует скосу лезвия ножа в рубанке чуть более 27°. Подобный угол отклонения лезвия рубанка от направления строгания специально достигается на практике для повышения качества строганой поверхности (Электронный ресурс. URL: https://master-forum.ru/master-klass-stroganie-pod-uglom-k-voloknam/. Дата обращения: 08.02.2020). Более того, ряд исследований показывает, что минимальная энергоемкость резания ряда растительных материалов имеет место при углах скоса лезвий от 30° до 40° (Электронный ресурс.URL: https://cyberleninka.ru/article/n/snizhenie-energoemkosti-izmelcheniya. Дата обращения: 08.02.2020).
Следовательно, для исходных условий, соответствующих фиг. 4, при S≥25 мм будет обеспечиваться достаточно высокое качество резания на всех участках лезвия. Причем при больших значениях S качество резания будет улучшаться в большей степени.
Поскольку на практике, как правило, угол β больше нуля (фиг. 1), то следует рассмотреть его влияние на величины коэффициентов скольжения характерных точек лезвия. Так, например, на фиг. 5 приведены зависимости коэффициентов скольжения при β=12,° и варьировании параметра S при прочих равных условиях с кривыми на фиг. 4. Увеличение угла β снижает абсолютные значения коэффициентов скольжения характерных точек лезвия, а вид кривых существенно не изменяется. При этом для достижения желательного минимального значения коэффициента скольжения на конце лезвия требуется несколько увеличивать значение параметра S в сравнении с рассмотренным выше вариантом при β=0°, принимая во внимание, что отношение OA/ОС (фиг. 1) остается постоянным. Так, например, применительно к основным условиям расчетной схемы, соответствующим кривым фиг. 4 (ϕ=25°, L=60 мм), величина параметра S для достижения желательного минимального значения коэффициента скольжения на конце прямолинейного лезвия может быть приближенно определена по выражению
где β - угол между прямолинейным лезвием и нормалью к радиусу крайней ближней точки рабочей кромки лезвия первого элемента относительно оси его вращения, выраженный в градусах.
max
Кроме того, при увеличении угла β наблюдается некоторое возрастание максимального диаметра, который может быть вписан в пространство зева (определяет максимальный диаметр разрезаемого объекта). Следовательно, в общем случае параметр β целесообразно выбирать исходя из компромисса между расчетной толщиной разрезаемых веток и качеством резания. Из практических соображений можно рекомендовать среднюю величину угла β, равную половине угла ϕ (угол ϕ при полном раскрытии зева).
max
Влияние параметра β на коэффициенты скольжения точек лезвия можно использовать для некоторого выравнивания их величин по длине лезвия. С этой целью прямолинейное лезвие с углом наклона β может быть преобразовано в криволинейное. Для этого, например, угол β для конца лезвия может быть выбран равным нулю, что несколько повысит коэффициент скольжения конца лезвия (отрицательное значение угла β нецелесообразно, так как при этом уменьшается вписанный диаметр в пространство зева). Величину угла β в начале лезвия целесообразно повысить до значения угла ϕ, что позволит снизить коэффициент скольжения в начале лезвия (большее увеличение угла β уменьшает вписанный диаметр в пространство зева). Значение угла β в середине лезвия можно выбрать, например, на уровне 0,5⋅ϕ.
Указанным выше условиям для случая, когда ϕ=25°, L=60 мм соответствует режущая кромка лезвия, описываемая выражением
где y - координата точки режущей кромки лезвия относительно точки В в направлении отрезка ОВ (фиг. 1), мм; х - координата точки режущей кромки лезвия относительно точки В в направлении, нормальном к отрезку ОВ (фиг. 1), мм.
На фиг. 6 представлена кривая режущей кромки лезвия, построенная в соответствии с приведенным выше выражением. Данная кривая заключена между прямыми, наклоненными под углом β=25° (соответствует наклону касательной к режущей кромке лезвия в начальной его точке) и углом β=12,5° (соответствует наклону касательной к режущей кромке лезвия в средней его части). При этом коэффициент скольжения середины лезвия на фиг. 6 может быть оценен с учетом угла наклона касательной в средней части лезвия (фиг. 7), а усредненные коэффициенты скольжения точек данного лезвия можно определять с использование средней линии лезвия (относительно нее точки режущей кромки лезвия имеют минимальное среднее квадратическое отклонение). Однако определение положений данных линий относительно лезвия на практике затруднено, поэтому целесообразно оценивать коэффициенты скольжения точек данного лезвия на основе прямой проходящей через крайние точки рабочего участка лезвия (линия под углом β=12,5° на фиг. 6 и 7), которая достаточно точно позволяет судить о качестве резания по крайней мере в средней части лезвия, в наибольшей степени задействованное в процессе резания. В прототипе указанный угол β составляет около 45°, что снижает его потенциал для качественного резания.
Расчетная зависимость коэффициентов скольжения начала, конца и середины криволинейного лезвия на фиг. 6, 7 от величины параметра S приведена на фиг. 8. Из представленных кривых видно, что различия между коэффициентами скольжения характерных точек лезвия в криволинейном лезвии меньше, чем в прямолинейном варианте лезвия (фиг. 5), имеющем тот же наклон β, что и криволинейное лезвие в средней его части. Причем, при определенных значениях параметра S коэффициенты скольжения конца и середины лезвия сравниваются с величиной коэффициента скольжения начала лезвия, а при дальнейшем увеличении параметра S коэффициенты скольжения конца и середины лезвия начинают превышать аналогичный показатель для начала лезвия. Следовательно, путем увеличения параметра S могут быть достигнуты условия, предполагающие лучшее качество резания на конце и в середине лезвия, чем в его начале. Возможно также решение обратной задачи- определение углов наклона режущей кромки в различных точках лезвия, при которых обеспечиваются, например, равные коэффициенты скольжения для заданной величины параметра S.
max
Таким образом, из анализа представленных материалов следует, что для наиболее предпочтительных усредненных параметров ϕ, L достижение показателя качества резания, близкого к оптимальному, в средней части лезвия можно достичь при условии S≥25 мм для прямолинейного лезвия с углом β=0°. Во всех других случаях, когда угол β в середине лезвия больше нуля (как для прямолинейного, так и для криволинейного лезвий) величина параметра S должна быть дополнительно увеличена в сравнении с вариантом, когда β=0° (например, в соответствии с выражением (1)). Для масштабирования полученного результата на варианты садового режущего инструмента с параметром L, отличным от 60 мм, следует, например, отношение OA/ОС (фиг. 1) оставлять постоянным для любых других значений L и равным 0,38 (соответствует Кс=0,512 при S=25 мм, ϕ=25°, β=0°, L=60 мм). Следовательно, условие достижения качественного резания в общем случае можно записать как
Принимая во внимание, что отрезок OA это смещение S оси вращения лезвия относительно прямой, проходящей через крайние точки рабочей режущей кромки лезвия (как для прямолинейного, так и для криволинейного лезвий), а отрезок ОС не что иное, как радиус R дальней крайней точки рабочей режущей кромки лезвия, относительно оси его вращения, то выражение (3) можно записать в следующем виде
Отсюда следует, что должно выполняться неравенство
Выполнение неравенства (5) в конструкциях садового режущего инструмента позволяет создать условия для качественного резания по меньшей мере в средней части режущего лезвия. Соответственно наилучшие условия для качественного резания будут достигаться при наибольших из возможных по конструктивным соображениям значениях параметра S.
max
В прототипе соотношение S/R находится на уровне 0,26, что при ϕ=37°, β=45° и L=60 мм позволяет достигать коэффициента скольжения в средней части лезвия Кс лишь порядка 0,077, а это эквивалентно скосу лезвия всего около 4° при его прямолинейном движении.
Следует отметить, что все полученные зависимости справедливы не только для кусачек, но и для других типов взаимодействия элементов режущего блока, таких, например, как режущие инструменты обводного типа или с наковаленкой, а также двухстороннего резания по аналогии с ножницами. Расчетная схема на фиг. 1 применительно к указанным типам режущих блоков должна претерпеть изменения, связанные с перенесением линии АЕ параллельно линии лезвия ВС в направлении положения лезвия в открытом положении (прямой В'С). Однако это не влияет на соотношения продольной и нормальной составляющих движения точек лезвия относительно линии АЕ, поэтому все выявленные закономерности в полной мере могут быть применены и для указанных видов режущих инструментов.
На фиг. 1 представлена расчетная схема кинематики лезвия садового режущего инструмента при его вращательном движении.
На фиг. 2 показана диаграмма изменения коэффициента скольжения начала прямолинейного лезвия в зависимости от угла его поворота.
На фиг. 3 приведены кривые изменения коэффициентов скольжения конца и середины прямолинейного лезвия в зависимости от угла его поворота.
На фиг. 4 представлены зависимости коэффициентов скольжения начала, конца и середины прямолинейного лезвия от параметра S при угле наклона лезвия β=0°.
На фиг. 5 показаны зависимости коэффициентов скольжения начала, конца и середины прямолинейного лезвия от параметра S при угле наклона лезвия β=12,5°.
На фиг. 6 изображен вариант криволинейного лезвия и его граничные прямые.
На фиг. 7 приведен вариант криволинейного лезвия с характерными прямыми для оценки коэффициентов скольжения режущей кромки.
На фиг. 8 представлены зависимости коэффициентов скольжения начала, конца и середины криволинейного лезвия на фиг. 6, 7 от параметра S.
На фиг. 9 показано схематическое изображение варианта режущего блока с прямолинейным лезвием и β=0°.
На фиг. 10 приведено упрощенное изображение варианта режущего блока с прямолинейным лезвием и β=12,5°.
На фиг. 11 продемонстрирован вариант режущего блока с криволинейным лезвием при величине S, близкой к граничному значению 0,38⋅R, и β=12,5°.
На фиг. 12 представлен вариант режущего блока с криволинейным лезвием при величине S, близкой к значению 0,6⋅R, и β=12,5°.
На фиг. 13 показано схематическое изображение варианта режущего блока с прямолинейным лезвием при величине S, близкой к значению 0,85⋅R, и β=12,5°.
На фиг. 14 приведено упрощенное изображение варианта режущего блока с криволинейным лезвием при величине S, близкой к значению 0,85⋅R, и β=12,5°.
На фиг. 15 представлено объемное изображение варианта выполнения садового режущего инструмента с режущим блоком по типу на фиг. 10 с полностью открытым зевом.
На фиг. 16 показано объемное изображение варианта выполнения садового режущего инструмента на фиг. 15 в закрытом положении.
На фиг. 17 приведено объемное изображение варианта выполнения садового режущего инструмента с режущим блоком по типу на фиг. 12 с полностью открытым зевом.
На фиг. 18 представлено объемное изображение варианта выполнения садового режущего инструмента на фиг. 17 в закрытым положении.
На фиг. 19 показано объемное изображение варианта выполнения садового режущего инструмента с режущим блоком по типу на фиг. 13 с полностью открытым зевом.
На фиг. 20 приведено объемное изображение варианта выполнения садового режущего инструмента на фиг. 19 в закрытом положении.
На фиг. 21 представлено объемное изображение варианта выполнения садового режущего инструмента с режущим блоком по типу на фиг. 14 с полностью открытым зевом.
На фиг. 22 показано объемное изображение варианта выполнения садового режущего инструмента на фиг. 21 в закрытом положении.
Сущность предлагаемой конструкции садового режущего инструмента и достигаемые с ее помощью результаты можно дополнительно пояснить на различных примерах ее реализации. На фиг. 9 схематически изображен садовый режущий инструмент с режущим блоком 1, который состоит из первого элемента под номером 2 и второго элемента под номером 3, которые могут совершать вращательное движение относительно оси режущего блока 4. Здесь условно неподвижным является второй элемент 3 режущего блока 1, а первый элемент 2 режущего блока 1 может поворачиваться относительно него около оси режущего блока 4. Первый элемент 2 имеет прямолинейную режущую кромку 5 в результате односторонней его заточки. Второй элемент 3 имеет прямолинейное опорное ребро 6, которое совместно с режущей кромкой 5 образует зев садового режущего инструмента. В широкой части области зева показана вписанная окружность 7, имеющая диаметр, близкий к максимальному, который может быть разрезан за один рез режущим блоком 1. Глубину зева в данной конструкции определяет ограничитель глубины зева 8, представляющий собой выступ относительно опорного ребра 6. Первый элемент 2 имеет силовой рычаг 9, а второй элемент 3 имеет силовой рычаг 10, к которым может быть приложена пара встречно направленных сил со стороны оператора для создания вращательного движения в режущем блоке 1. Поскольку силовой рычаг 10 опирается на ладонь оператора, а на силовой рычаг 9 опираются пальцы оператора, то вращательное движение в основном осуществляет первый элемент 2 одновременно с процессом сжимания кисти оператором. При этом режущая кромка 5 движется в направлении опорного ребра 6, а ее точки перемещаются как в нормальном, так и в продольном направлении по отношению к ребру 6 и к объекту разрезания, остающимся неподвижным в пространстве зева в процессе резания. Причем продольное движение точек режущей кромки 5 осуществляется в направлении ограничителя глубины зева 8, то есть в направлении основания зева. В этом случае режущая кромка 5 за счет сил трения о разрезаемый объект затягивает его к основанию зева, что позволяет в значительной мере компенсировать выталкивающий эффект на объект резания, возникающий в клиновом пространстве между режущей кромкой 5 и опорным ребром 6. Указанное направление продольного движения точек режущей кромки 5 становится возможным благодаря тому, что ось режущего блока 4 смещена на величину S в полупространство первого элемента 2 относительно плоскости, проходящей через крайние точки В, С рабочей режущей кромки 5 первого элемента 2 нормально к плоскости его вращения. Поскольку на фиг. 9 изображен режущий блок 1 в плоскости вращения первого элемента 2, то линия, проходящая через режущую кромку 5 является проекцией плоскости, нормальной к указанной плоскости вращения и проходящей через крайние точки В, С рабочей режущей кромки первого элемента 2. Следовательно, величина указанного выше смещения S равна кратчайшему отрезку между линией, проходящей через прямолинейную режущую кромку 5 и осью режущего блока 4 (величина нормали из оси режущего блока 4 к линии прямолинейной режущей кромки 5). Под рабочей режущей кромкой в данном случае понимается часть режущей кромки 5, образующая пространство зева и которая теоретически может принимать участие в процессе разрезания объекта, расположенного в области зева. На фиг. 9 рабочая режущая кромка лежит между точкой В (ближней крайней точкой к оси режущего блока 4) и точкой С (дальней крайней точкой относительно оси режущего блока 4).
Таким образом, для определения величины смещения S можно в плоскости вращения первого элемента 2 провести прямую через крайние точки В, С рабочей режущей кромки 5 и опустить на данную прямую перпендикуляр из центра оси режущего блока 4. Длина данного перпендикуляра будет равна величине смещения S. Для нахождения значения радиуса R дальней крайней точки С рабочей режущей кромки первого элемента 2, относительно оси его вращения (ось режущего блока 4) следует провести прямую из центра оси режущего блока 4 в дальнюю крайнюю точку С рабочей режущей кромки первого элемента 2. Длина указанной прямой будет равна величине радиуса R. Необходимо отметить, что смещение оси режущего блока 4 в полупространство второго элемента 3 привело бы к созданию дополнительного усилия за счет сил трения лезвия о разрезаемый объект, выталкивающего последний из пространства зева, что нежелательно для правильной организации процесса резания.
Режущая кромка 5 в рассматриваемой конструкции перпендикулярна к линии, проведенной из оси режущего блока 4 в точку В, что соответствует расчетной схеме на фиг. 1 с углом β=0°. Опорное ребро 6 параллельно режущей кромке 5 в закрытом положения первого элемента 2 и несколько смещено относительно последнего в направлении оси режущего блока 4 для надежного разрезания объекта и в целях обеспечения запаса по ширине первого элемента 2 для возможности его многократной заточки. На фиг. 9 также изображены характерные отрезки S и R, используемые для анализа соотношения продольных и нормальных перемещений точек лезвия и, соответственно, для косвенной оценки качества резания. В данной конструкции соотношение S/R равно около 0,63, что обеспечивает коэффициент скольжения в средней части лезвия порядка 0,96 (эквивалентно скосу лезвия почти в 44° при его прямолинейном движении). Максимальный угловой размер зева в конструкции на фиг. 9 равен углу поворота ϕ первого элемента 2 до полного открытия зева и составляет около 25°. Здесь данный угол ϕ равен углу выталкивания (μ) объекта резания, определяемого углом между касательными к режущей кромке 5 и ребру 6 в точках их касания с объектом резания (например, вписанная окружность 7).
Таким образом, на фиг. 9 по сути представлен вариант садового режущего инструмента обводного типа с прямым лезвием, отличающийся увеличенным соотношением S/R и с углом β=0°. Здесь первый элемент 2 является режущим, а второй элемент 3 выполняет роль ответной опорной части. В принципе данная конструкция легко может быть преобразована в садовый режущий инструмент с наковаленкой. Для этого первый элемент 2 должен иметь двухстороннюю заточку, второй элемент 3 может, например, иметь П-образную форму в поперечном сечении. В паз П-образного профиля входит режущий элемент (первый элемент 2) в закрытом состоянии режущего блока 1. При этом концевые части П-образного профиля совпадают с границами опорного ребра 6 и ограничителя глубины зева 8. Возможно выполнение ребра 6 второго элемента 3 с заточкой, тогда второй элемент 3 будет также режущим, а режущий блок 1 станет блоком двухстороннего резания. На качество резания подобные преобразования практически не влияют, поскольку соотношения S/R останутся неизменными, соответствующими фиг. 9.
Кроме того, необходимо отметить, что подведение механической энергии к режущему блоку 1 может быть выполнено не только со стороны оператора, но и путем применения электрического, пневматического, гидравлического или иного типа приводов. При этом механическое движение может быть передано на первый элемент 2 минуя силовой рычаг 9, например посредством зубчатой шестерни, соединенной с данным элементом. На качество резания тип привода также не оказывает практического влияния.
На фиг. 10 представлен вариант садового режущего инструмента, аналогичный конструкции на фиг. 9, но выполненный с наклоном режущей кромки 5 под углом β=12,5° и, соответственно с наклоном опорного ребра 6 на такой же угол. В следствие этого несколько увеличен максимальный диаметр окружности 7, вписанной в пространство зева, в сравнении с фиг. 9. При этом соотношение S/R снизилось до 0,56 (при одинаковой длине лезвия), что ухудшает качество резания (указывалось при анализе расчетной схемы на фиг. 1). Здесь коэффициент скольжения в средней части режущей кромки 5 равен около 0,78, что эквивалентно скосу лезвия в 38° при его прямолинейном движении. Величины максимального углового размера зева и угла выталкивания (μ) объекта резания в рассматриваемом варианте не изменились.
В целях выравнивания коэффициентов скольжения К по длине режущей кромки 5 последняя может быть выполнена криволинейной, как это показано на фиг. 11. Соответственно опорное ребро 6 также выполнено криволинейным для увеличения пространства зева и в целях уменьшения величины угла выталкивания μ объекта резания, который в представленной конструкции меньше в сравнении с вариантами на фиг. 9, 10 при одинаковом угле поворота ϕ первого элемента 2 (μ<25°, тогда как в прототипе он составляет около 35° для вписанной в пространство зева окружности). Соотношение S/R в представленном варианте выбрано на уровне граничного значения 0,38, при котором обеспечивается коэффициент скольжения Кс в средней части рабочей режущей кромки на уровне 0,45, что ориентировочно соответствует скосу лезвия в 24° при прямолинейном движении и обеспечивает не только повышение качества резания, но и может снизить энергетические затраты в процессе резания.
Конструкция на фиг. 12 отличается от варианта на фиг. 11 большим соотношением S/R, которое здесь близко к 0,6, что позволяет достичь величины коэффициента скольжения Кс в средней части рабочей режущей кромки 5 на уровне 0,84, а это соответствует скосу лезвия порядка 40° при прямолинейном движении. При этом качественные и энергетические показатели процесса резания еще более улучшаются в сравнении с устройством на фиг. 11.
Наиболее высокие значения коэффициента скольжения К могут быть достигнуты в конструкциях, схематически изображенных на фиг. 13, 14. В представленных вариантах параметры S и R существенно увеличены в сравнении с рассмотренными выше, что конструктивно позволяет в качестве силовых рычагов 9, 10 использовать удлиненные участки первого элемента 2 и второго элемента 3, соединяющие их с осью режущего блока 4. Кроме того, при этом соотношение S/R возрастает до величины порядка 0,85, что обеспечивает достижение значения коэффициента скольжения Кс в средней части рабочей режущей кромки 5 на уровне 1,4. Это эквивалентно скосу лезвия более чем на 54° при прямолинейном движении, что положительно сказывается на качественные и энергетические характеристики процесса резания. Для формирования клинового пространства зева в данных конструкциях целесообразно использовать направляющую 11, которая может составлять единое целое со вторым элементом 3, либо может быть выполнена в виде отдельного элемента, соединенного со вторым элементом 3. Для данных конструкций характерно участие в процессе разрезания объекта резания максимального диаметра (вписанная окружность 7) практически всей длины рабочей режущей кромки 5, что обеспечивает более равномерное ее изнашивание и, соответственно, увеличение временного периода между заточками лезвия (при одинаковой интенсивности эксплуатации режущего инструмента). Угловой размер зева на фиг. 13 и угол выталкивания (μ) объекта резания аналогичен конструкциям на фиг. 9, 10. При использовании криволинейной режущей кромки 5 (фиг. 14) угол выталкивания μ объекта резания может быть уменьшен практически до нуля, что обеспечивает надежное защемление объекта резания в области зева в процессе резания. Кроме того, использование криволинейной режущей кромки 5 позволяет в данной конструкции получать практически одинаковое качество резания для всех точек рабочей режущей кромки 5.
max
Следовательно, предлагаемая конструкция садового режущего инструмента, представленная в вариантах на фиг. 9 - фиг. 14, по показателю коэффициента скольжения в средней части режущей кромки Кс превосходит прототип от 6 до 18 раз, имеет меньший угол поворота режущего элемента ϕ и, соответственно, меньший угловой размер зева, сниженный угол выталкивания (μ) объекта резания (вплоть до нуля на фиг. 14), более равномерное распределение зоны резания по рабочей режущей кромке, что позволяет увеличить период между заточками лезвия, а также в ряде случаев снизить усилия резания благодаря повышению энергетической эффективности при возникновении эффекта скользящего резания, для которого в приведенных конструкциях созданы благоприятные условия.
Один из возможных вариантов выполнения предлагаемого садового режущего инструмента по типу фиг. 10 изображен в открытом положении в трехмерном пространстве на фиг. 15. Здесь силовой рычаг 10 изготовлен, например, из пластмассы на одном конце которого закреплен второй элемент 3, а на другом конце установлена нажимная ручка 12 из пластмассы с дугой 13 под указательный палец оператора и с возможностью вращения в заданном угловом диапазоне относительно оси нажимной ручки 14. Первый элемент 2 с прямолинейной режущей кромкой 5 установлен на оси режущего блока 4, которая может быть выполнена, например, в виде гайки с винтом. Силовой рычаг 9 первого элемента 2 размещен в пазу нажимной ручки 12. Приведение первого элемента 2 с силовым рычагом 9 и нажимной ручки 12 в открытое положение может быть осуществлено с использованием одной или нескольких пружин возврата (на фиг. 15 не показаны), либо рукой оператора, для чего может быть использована дуга 13. В последнем случае должна быть организована соответствующая кинематическая связь между силовым рычагом 9 и нажимной ручкой 12 (возможны различные варианты ее выполнения). Для снижения сил трения между силовым рычагом 9 и нажимной ручкой 12 при закрытии режущего блока на конце силового рычага 9 может быть установлен ролик. Первый элемент 2 может быть выполнен разборным со съемной режущей частью, что может облегчить процессы периодической заточки режущей кромки 5. Выполнение режущей кромки 5 прямолинейной также способствует упрощению процесса ее заточки. Конструкция на фиг. 15 может быть также снабжена ограничителем поворота первого элемента 2 различного рода.
Работает садовый режущий инструмент на фиг. 15 следующим образом. При приложении встречных сил к силовому рычагу 10 и к нажимной ручке 12 со стороны оператора происходит передача усилия на концевую часть силового рычага 9, в результате чего первый элемент 2 поворачивается вокруг оси режущего блока 4 в направлении закрытия зева. В результате точки режущей кромки 5 совершают нормальное и продольное перемещения относительно объекта резания, предварительно размещенного в пространстве зева и опирающегося на опорное ребро 6. Происходит процесс наклонного резания или резания с эффектом скольжения. Поскольку конструкция на фиг 15 отличается увеличенным соотношением S/R, то продольная составляющая перемещения точек режущей кромки 5 возрастает и повышается качество резания (например, в сравнении с прототипом).
Поворот первого элемента 2 вокруг оси режущего блока 4 осуществляется вплоть до полного закрытия зева (фиг. 16). При необходимости элементы садового режущего инструмента могут быть зафиксированы в данном положении, например, фиксатором нажимной ручки 12 той или иной конструкции (не показан на фиг. 15, 16). Конструкция на фиг. 15 может быть снабжена храповым механизмом, позволяющим усиливать силу резания и осуществлять разрезание объекта резания в несколько приемов.
Следует отметить, что в устройстве на фиг. 15 размещение кисти оператора на нажимной ручке 12 осуществляется так, что наиболее сильные пальцы располагаются на участке с большим радиусом относительно оси нажимной ручки 14, а это увеличивает момент, передаваемый на первый элемент 2, и повышает силу резания режущего блока 1.
При выполнении режущей кромки 5 криволинейной формы по типу фиг. 12 конструкция садового режущего инструмента может иметь вид, изображенный на фиг. 17 (открытое положение) и на фиг. 18 (закрытое положение). При этом она будет обладать всеми достоинствами и недостатками, присущими устройству с криволинейным лезвием.
Садовый режущий инструмент предлагаемой конструкции может быть также изготовлен в соответствии с конструктивными параметрами, характерными для фиг. 13. В этом случае его вид может быть аналогичен упрощенной объемной модели на фиг. 19. Здесь не только силовой рычаг 10, но и силовой рычаг 9 выполнены из пластмассы. При этом они являются увеличенными частями второго элемента 3 и первого элемента 2, соединяющими их с осью режущего блока 4 (может быть выполнена разъемной или неразъемной). Возвратная пружина в подобной конструкции может быть выполнена в виде пружины кручения и установлена на оси режущего блока 4. При размещении разрезаемого объекта в зеве данной конструкции он опирается на опорное ребро 6 и направляющую 11. Затем осуществляется процесс резания, аналогичный рассмотренному для фиг. 15, но с лучшими показателями качества резания. Усилия пальцев рук оператора здесь также распределены оптимальным образом вдоль силового рычага 9 относительно оси режущего блока 4. В закрытом положении устройство на фиг. 19 будет иметь вид, представленный на фиг. 20.
Конструкции садового режущего инструмента с увеличенным соотношением S/R могут быть выполнены с криволинейным лезвием, как это показано на фиг. 21 (открытое положение) и на фиг. 22 (закрытое положение). В этом варианте достигается минимальный угол выталкивания объекта резания и повышенные значения коэффициента скольжения в середине и конце режущей кромки 5.
Все представленные конструкции предлагаемого садового режущего инструмента не исчерпывают всего многообразия вариантов его выполнения в рамках существа предполагаемого изобретения. Для его изготовления могут быть использованы различные материалы, применены разнообразные формы лезвий и параметры их заточки, использованы различные типы приводов и виды резания, включая резание с наковаленкой, двухстороннее резание и по типу кусачек. При этом во всех вариантах садового режущего инструмента, удовлетворяющих неравенству S≥0,38⋅R будут обеспечиваться условия для достижения более высокого качества резания в сравнении с конструкциями, не отвечающими данному соотношению.