Роторный узел почвообрабатывающего орудия

Область техники.
Полезная модель относится к области сельскохозяйственного машиностроения, а именно к роторным узлам почвообрабатывающих орудий с вращающимися бесприводными рабочими органами, предназначенным в том числе для рыхления почвы, измельчения пожнивных остатков, уничтожения сорняков.
Предшествующий уровень техники.
Известна ротационная мотыга для обработки почвы (патент SU1804276, 1993), содержащая несущий элемент с кронштейном, имеющим втулку, и по крайней мере один рабочий орган (роторный узел), который установлен в указанной втулке на смонтированной в ней посредством подшипника оси. Рабочий орган выполнен в виде диска со ступицей и радиально направленными зубьями, дугообразно изогнутыми в сторону, противоположную направлению его вращения. Зубья лежат по-существу в плоскости, перпендикулярной оси вращения рабочего органа. 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 EA18641, 2013), содержащая несущую конструкцию, выполненную с возможностью подвешивания на машине с моторным приводом, и по меньшей мере одну рабочую часть, которая шарнирно закреплена на несущей конструкции и оснащена по меньшей мере одним рыхлительным колесом (роторным узлом), выполненным с возможностью вращения при взаимодействии с почвой. Рыхлительное колесо установлено с возможностью его разворота вокруг регулировочной оси и регулирования его положения таким образом, чтобы плоскость вращения рыхлительного колеса и поверхность разрыхляемой почвы образовывали первый угол в диапазоне 5-70°, а линия пересечения плоскости его вращения с плоскостью поверхности почвы и направление поступательного движения вращающейся мотыги - второй угол в диапазоне 5-80°. Рыхлительное колесо оснащено центральной ступицей и лопатками, отогнутыми назад относительно направления вращения рыхлительного колеса. Лопатки расположены в плоскости, перпендикулярной оси вращения рыхлительного колеса.2
Известен также культиватор (заявка EA201991663, 2019), в основном для внутрирядной культивации, содержащий раму, прикрепленную к трактору или буксируемой конструкции. Рама снабжена по меньшей мере одним культиваторным узлом (роторным узлом) с имеющим наклонную ось вращения ротационным мотыжным элементом в качестве режущего инструмента. На раме мотыжные колеса по меньшей мере двух смежных ротационных мотыжных элементов расположены вдоль обрабатываемого ряда растений в каждом междурядье, причем в направлении движения мотыжные колеса имеют наклоненную в боковом направлении и назад ось вращения таким образом, что мотыжные колеса смежных ротационных мотыжных элементов выполнены с возможностью вращения в противоположных направлениях. Дугообразные мотыжные зубья (ножи) радиально закреплены на мотыжных колесах перпендикулярно оси вращения этих колес. 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.
Общим недостатком указанных аналогов является размещение мотыжных зубьев (лап, режущих элементов) радиально под прямым углом к оси вращения диска роторного узла. Это приводит к тому, что для качественной предпосевной обработки почвы, уничтожения сорняков и измельчения пожневных остатков необходимо производить обработку почвы за 2-3 прохода, что в свою очередь требует значительных энергетических затрат и потерю дефицитного предпосевного времени в весенний период, времени на уборку и подготовку почвы осенью.
Раскрытие заявляемого технического решения.
Роторный узел относится к деталям почвообрабатывающего орудия, в котором непосредственно закреплены режущие элементы, контактирующие с почвой.
Технической задачей, на решение которой направлено техническое решение, является:
– повышение производительности труда при проведении осенне-весенних полевых работ по измельчению, дроблению почвы, уничтожению сорняков и заделки их в почву;
- улучшение измельчения для уменьшения величины фракций и повышения качества и всхожести семян поле посева;3
- снижение энергоемкости осенне-весенних полевых работ.
Техническим результатом, обеспечиваемым техническим решением, является:
- обеспечение более мелкого крошения почвы при подготовке почвы под посев. При этом обеспечивается крошение почвы с комками размером до 25 мм включительно, не менее 80%;
- подрезание 95% сорняков, их измельчение и заделка в почву;
- увеличение максимальной глубины обработки почвы (до 15 мм);
- уменьшение нагрузки на роторный узел, особенно проявляющееся при обработке мелко-каменистых почв;
- достижение удовлетворительного результата по обработке почвы за один проход сельхозорудия, что обеспечивает снижение энергозатрат при проведении осенне-весенних полевых работ.
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что роторный узел почвообрабатывающего орудия содержит закрепленный на валу диск, на котором закреплены расходящиеся от него и распределенные вдоль его края режущие элементы, изогнутые по плоской дуге. Отличается тем, что каждый режущий элемент закреплен к диску так, что:
- режущий элемент наклонен вокруг оси, проходящей, в сущности, вдоль крепления его конца в диске,
- между плоскостью изгиба режущего элемента и плоскостью, перпендикулярной оси вращения вала, образован острый угол.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивающих достижение заявленного технического результата.
В частных случаях допустимо выполнять заявленное техническое решение следующим образом.
Режущий элемент желательно содержит первый и второй дугообразные 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.
Режущие элементы предпочтительно содержат прямолинейные пластинообразные участки и закреплены к диску разъемно. Крепление каждого режущего элемента представляет собой отрезок П-образного профиля. Этот 4
профиль с наклоном жестко закреплен к диску открытой гранью с образованием в сущности прямоугольного отверстия. В указанном отверстии размещен прямолинейный участок режущего элемента. Длинные стороны упомянутого прямоугольного отверстия образуют острый угол с плоскостью, перпендикулярной оси вращения вала.
Автором заявленного технического решения изготовлены опытные образцы этого решения, испытания которых подтвердили достижение технического результата.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 показан общий вид роторного узла, на фиг. 2 — вид роторного узла снизу, на фиг. 3 — вид роторного узла сверху, на фиг. 4 — вид роторного узла сбоку, на фиг. 5 — вид роторного узла сбоку с вырывом одного режущего элемента, на фиг. 6 — общий вид режущего элемента.
Осуществление технического решения.
Роторный узел почвообрабатывающего орудия представляет собой плоский диск (1), одной стороной жестко закрепленный на конце вала (2) перпендикулярно этому валу, установленному по оси симметрии диска (фиг. 1-5). С другой стороны диск (1) снабжен креплениями (3) режущих элементов (4), выполненными в виде отрезков П-образного профиля, приваренных к диску открытой гранью с образованием в сущности прямоугольных отверстий для установки режущих элементов. Крепления (3) приварены к диску (1) с наклоном так, что длинные стороны прямоугольного отверстия крепления образуют острый угол α от 70 до 80 градусов с плоскостью, перпендикулярной оси вращения вала. Указанный угол предпочтительно выполнять равным от 76,5 до 77,5 градусов.
Все детали роторного узла выполнены металлическими.
Режущий элемент (4) пластинообразный, изогнутый по дуге, лежащей в плоскости (плоской дуге) (фиг. 6). При этом изгиб выполнен, в сущности, тонкой части режущего элемента. Режущий элемент выполнен с изменяющимся вдоль длины поперечным сечением. При этом режущий элемент имеет также прямой участок (9), которым он вставлен в крепление (3). Форма изгиба режущего элемента (4) задается двумя участками 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 5
подвергается термообработке: закалке с последующим отпуском. 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.
Прямой участок (9) режущего элемента (4) имеет форму полосы со скругленными боковыми гранями. При использовании роторного узла основная нагрузка на прямой участок режущего элемента заключается в его изгибании перпендикулярно широкой грани. Подбор толщины прямого участка для материала режущего элемента с вышеуказанными 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 роторного узла и орудия. С другой стороны, режущий элемент сохраняет свою форму при снятии изгибающих нагрузок.
Наличие широких граней в прямом участке режущего элемента (4) предотвращает кручение режущего элемента при его использовании.
У торца прямого участка режущего элемента (4) на его боковых гранях выполнены пазы (5), предназначенные для закрепления режущего элемента в роторном узле. Для этого в области каждого крепления (3) в диске (1) выполнено сквозное резьбовое отверстие, в которое вкручен стопорный винт (6) с контргайкой (7). Стопорный винт (6) входит в паз (5) режущего элемента после его установки в крепление (3), прижимая режущий элемент (4) к внутренней стенке крепления (3), чем обеспечивается фиксация режущего элемента в роторном узле.
Первый изогнутый участок (10) режущего элемента (4) расположен в центральной его части и 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 (11) режущего элемента (4) выполнен с плавным переходом из первого изогнутого участка, поэтому имеет в прилежащей к участку области то же сечение. Второй изогнутый участок имеет изгиб большего радиуса кривизны, чем первый участок. Второй участок выполнен с плавным изменением 6
поперечного сечения так, что на конце он представляет собой лопатку (8) 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. Ширина второго участка на конце больше его ширины в месте сопряжения с первым участком 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, 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 (4) предпочтительно выполнен симметричным относительно проходящей вдоль него плоскости, перпендикулярной лопатке (8) и широкой стороне прямого участка. Это обеспечивает возможность переворота режущего элемента при его установке в роторные узлы с наклоном крепления (3) в разные стороны. Таким образом обеспечивается возможность двукратного увеличения срока службы режущего элемента — если он изношен с одной стороны, переворот элемента на другую сторону (с размещением в другом роторном узле с наклоном крепления (3) в другую сторону) обеспечивает такой же ресурс использования. Под плоскостью изгиба такого режущего элемента понимается плоскость, совпадающая с плоскостью его симметрии или параллельная этой плоскости и проходящая через тело режущего элемента.
В роторном узле установлено 10 режущих элементов (4), равномерно распределенных вдоль границы диска (1). Наклон креплений (3) обеспечивает установку режущего элемента с наклоном вокруг оси, в сущности, проходящей через это крепление (3). Такая установка характеризуется образованием острого угла (90° - α) между плоскостью изгиба режущего элемента и плоскостью, перпендикулярной оси вращения вала. Таким образом, режущие элементы (4) роторного узла образуют конусообразную поверхность.
Описание работы.
Перед использованием вал роторного узла закрепляют в подшипниках его крепления в почвообрабатывающем орудии. При этом вогнутости режущих 7
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 острыми углами к поверхности почвы в вертикальной плоскости, параллельной направлению движения, и вертикальной плоскости, перпендикулярной направлению движения. При этом ось вращения роторного узла наклонена относительно нормали к поверхности почвы назад и вправо или влево по отношению к направлению движения.
Ориентирование роторного узла в орудии может быть выполнено, например, как описано в заявке EA201991663.
При движении орудия режущий элемент касается почвы областью расположения лопатки (8). Задерживаясь почвой, лопатка заглубляется в почву, размельчая ее комья и сорняки (или пожнивные остатки). Одновременно диск (1) с режущим элементом проворачивается на валу (2) в подшипниках крепления роторного узла. Ввиду того, что режущие элементы (4) установлены в креплениях (3) с наклоном к диску (1), то при тех же углах наклона оси роторного узла, что и в прототипе, роторный узел обеспечивает большее заглубление режущего элемента в почву на этом этапе. Так как орудие имеет конструктивные ограничения по установке максимального значения угла роторного узла, вышеуказанное позволяет увеличить глубину обработки почвы орудием с применением заявленного роторного узла.
Далее режущий элемент, двигаясь в почве, измельчает ее и срезает корневую систему сорняков. Благодаря установке режущих элементов (4) в креплениях (3) с наклоном под углом α к диску (1) угол, под которым режущий элемент атакует почву и сорняки (угол атаки), является более острым, чем в прототипе. Движение режущего элемента в почве под более острым углом приводит к снижению работы, которую необходимо затратить на разбиение комков почвы и срезание сорняков, то есть к более эффективной обработке почвы. Опытным путем установлено, что применение заявленного технического решения обеспечивает крошение почвы с комками размером до 25 мм включительно, не менее 80%, подрезание 95% сорняков, их измельчение и заделку в почву, уменьшение нагрузки на роторный узел, достижение удовлетворительного результата по обработке почвы за один проход сельхозорудия.8
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.