Рабочий орган двуручного культиватора

[01] Область техники
[02] Полезная модель относится к области сельского хозяйства, а именно к рабочим органам двуручных культиваторов с зубьями, используемых для обработки почвы безотвальным методом (рыхление без оборота пласта земли) с одновременным удалением сорняков.
[03] Уровень техники
[04] При рыхлении почвы с помощью двуручного культиватора с винтовыми (спиралевидными) зубцами пользователь прикладывает силу как в горизонтальном направлении путем вращения ручки, так в вертикальном направлениях, что приводит к внедрению зубцов в землю.
[05] С целью обеспечения высокой производительности рыхления без создания чрезмерной нагрузки на мышцы пользователя необходимо создать баланс между вертикальной и горизонтальной составляющими прилагаемой силы, тем самым наиболее оптимально распределив нагрузку между различными группами мышц. Очевидно, что в двуручных конструкциях культиваторов должна преобладать горизонтальная составляющая, т.е. основная сила должна прикладываться на вращение культиватора и в меньшей степени должно создаваться вертикальное давление для заглубления зубцов. В этой ситуации пользователь не будет испытывать чрезмерную нагрузку на мышцы спины (кора) и трапециевидные мышцы. С другой стороны, при чрезмерном преобладании горизонтальной составляющей силы над вертикальной, будут работать в основном мышцы рук и плеч, которые имеют меньший размер, что приведет к их быстрой утомляемости и снизит производительность рыхления. Таким образом, существует задача эффективного распределения прикладываемых усилий, которая может быть решена путем изменения геометрии зубцов (зубьев) рабочего органа культиватора.
[06] Из уровня техники известен рабочий орган двуручного культиватора (патент РФ RU 2153787, 10.08.2000), содержащий основание и заостренные пространственно-спиралеобразные зубцы, представляющие собой парные, параллельно направленные спирали различного радиуса.
[07] Предложенная конструкция позволяет, некоторым образом, снизить утомляемость за счет включения в работу различных групп мышц человека при рыхлении почвы. Однако применение зубцов разного радиуса приводит к необходимости прикладывать чрезмерное усилие вращения, что может снизить производительность работы.
[08] Наиболее близким аналогом полезной модели является рабочий орган двуручного культиватора, раскрытый в патенте РФ на полезную модель RU 192041, 02.09.2019. Указанный рабочий орган содержит стержневое основание и закрепленные симметрично на конце основания спиралевидные зубцы, проходящие в продольном относительно оси основания направлении вокруг указанной оси и закрученные симметрично в одном направлении с образованием пространственного тела вращения в виде конуса. При этом угол наклона зубцов к горизонту составляет 25°-45°, а угол заострения зубцов составляет 20°-40°.
[09] Согласно указанному аналогу, выбор оптимального значения углов наклона зубцов может помочь снизить сопротивление почвы при вращении культиватора. Однако, с практической точки зрения, определить конкретный угол наклона и заострения криволинейных зубцов, закрученных в форме конуса, в такой конструкции не представляется возможным, поскольку он не может быть постоянной величиной и будет зависеть от конкретной точки и проекции, в которой он определяется. При этом угол наклона спиральной линии любого зубца в разных точках измерения будет варьироваться в очень широких пределах: он может быть как острым (менее 90°), так и тупым (более 90°), что не соответствует предлагаемому интервалу в 25°-45°. Таким образом, изготовить рабочий орган культиватора по указанному аналогу с углом наклона зубцов в 25°-45° невозможно.
[010] Более того, использование зубцов с указанной геометрией верхней части приводит к сжатию почвы при заглублении культиватора, что повышает сопротивление при работе.
[011] Раскрытие сущности полезной модели
[012] Задачей полезной модели, определяющей техническую проблему, является разработка рабочего органа двуручного культиватора, обладающего наибольшей эффективностью рыхления почв различных типов, которая выражается в оптимальном распределении нагрузок между мышцами пользователя при работе.
[013] Технический результат полезной модели заключается в повышении производительности рыхления почвы при сохранении уровня мышечной нагрузки.
[014] Указанный технический результат достигается в полезной модели за счет того, что рабочий орган двуручного культиватора содержит стержневое основание и закрепленные симметрично на конце основания четыре зубца (2), имеющие спиралевидные участки, проходящие в продольном относительно оси основания направлении и закрученные симметрично в одном направлении вокруг этой оси с образованием пространственного тела вращения. Каждый зубец дополнительно имеет поперечный участок, проходящий в поперечном относительно оси основания направлении. Отношение высоты спиралевидного участка зубца вдоль оси основания к длине линии, соединяющей концы спиралевидного участка зубца, составляет от 0,55 до 0,85.
[015] Кроме того, для достижения технического результата предусмотрены частные варианты реализации полезной модели, согласно которым:
[016] - спиралевидные участки зубцов закручены вокруг оси основания с образованием цилиндра;
[017] - спиралевидные участки зубцов имеют постоянный шаг спирали;
[018] - угол подъема спирали, описываемой линией спиралевидного участка составляет 35-55°;
[019] - поперечные участки зубцов соединены между собой и с основанием с образованием квадрата;
[020] - спиралевидные участки зубцов имеют на концах коническое заострение;
[021] - спиралевидные участки зубцов имеют на концах заострение, образованное скошенной поверхностью;
[022] - основание выполнено в виде трубчатого элемента;
[023] - основание снабжено крепежным элементом и выполнено с возможностью телескопического соединения со штангой культиватора.
[024] Автором полезной модели было установлено, что оптимальное рыхление почвы обеспечивается при использовании культиватора с четырьмя зубцами. Использование инструментов с тремя и менее зубцами не позволит обеспечить равномерное внедрение в почву. При этом наличие пяти и более зубцов создает повышенное сопротивление почвы из-за маленьких расстояний между витками соседних спиралей.
[025] Также было доказано, что наличие поперечного участка позволяет избежать сжатия почвы при заглублении, что облегчает работу.
[026] Кроме того, экспериментально было определено, что на распределение нагрузки между мышцами различных групп существенно влияет угол, под которым зубец культиватора входит почву при рыхлении. Этот угол в приближенном виде определяет соотношение вертикальной и горизонтальной составляющих предлагаемых усилий. При этом для характеристики данного угла нельзя использовать величину угла наклона зубца, как в аналоге, поскольку угол наклона не может быть адекватно измерен для сложной криволинейной геометрии спирального зубца. Более того, по мере внедрения зубца в почву углы наклона меняются.
[027] Тем не менее, для характеристики данного параметра можно использовать более объективные величины: длину спиралевидного участка зубца (L) в виде расстояния между его началом и концом, а также высоту спиралевидного участка (Н) по оси основания. Соотношение данных параметров косвенно характеризует среднее значение угла, под которым зубец входит в почву при заглублении культиватора.
[028] Для культиватора с четырьмя зубцами экспериментально было определено, что при соотношении H/L менее 0,55 необходимо прилагать избыточные усилия на заглубления культиватора, что снижает производительность рыхления в виду быстрой утомляемости мышц кора и трапеции. С другой стороны, при соотношении H/L более 0,85 значительно увеличивается объем необходимых вращательных движений, что приводит к росту времени одного цикла рыхления культиватором и увеличивает нагрузку на мышцы плеч и рук и, как следствие, снижает производительность.
[029] Для спиралевидных участков зубцов, образующих тело вращения в виде цилиндра, т.е. имеющих постоянный радиус, а также характеризующихся постоянным шагом спирали, указанное соотношение параметров соответствуют значением угла подъема спирали 35°-55°. Приведенная геометрия зубцов является наиболее предпочтительной, поскольку обеспечивает равномерное внедрение зубцов в почву. Тем не менее, технический результат может быть достигнут и при использовании спиралевидных участков зубцов с переменным радиусом и переменным шагом спирали.
[030] Краткое описание чертежей
[031] Полезная модель поясняется фигурами, где:
[032] На фиг. 1 показан общий вид рабочего органа культиватора сбоку;
[033] На фиг. 2 показан общий вид рабочего органа культиватора снизу;
[034] На фиг. 3 показан вид культиватора с рабочим органом;
[035] На фиг. 4 показана схема определения шага и угла подъема цилиндрической спирали, для спиралевидного участка согласно предпочтительному варианту реализации полезной модели.
[036] Элементы конструкции и другие объекты обозначены на фигурах следующими позициями:
1 - основание,
2 - зубец,
3 - поперечный участок зубца,
4 - спиралевидный участок зубца,
5 - штанга культиватора,
6 - ручка культиватора,
7 - крепежный элемент, Y ось основания,
L - длина линии, соединяющей концы спиралевидного участка зубца (длина спиралевидного участка),
Н - высота спиралевидного участка,
R - расстояние между осью основания и спиралевидным участком (радиус),
S - шаг спирали спиралевидного участка,
ϕ - угол подъема спирали.
[037] Осуществление полезной модели
[038] Рабочий орган двуручного культиватора содержит стержневое основание (1) и закрепленные на конце основания (1) четыре зубца (2).
[039] Основание (1), предпочтительно, выполнено в виде трубчатого элемента круглого, квадратного или иного поперечного сечения, имеющего возможность телескопического соединения со штангой (5) культиватора. При этом основание (1) имеет крепежный элемент (7) для фиксации основания (1) на штанге (5) в различных положениях.
[040] Зубцы, предпочтительно, имеют круглое поперечное сечение. При этом каждый зубец (2) содержит поперечный участок (3), проходящий в поперечном относительно оси (Y) основания (1) направлении, и спиралевидный участок (4), проходящий в продольном относительно оси (Y) основания (1) направлении.
[041] Поперечные участки (3) зубцов (2), предпочтительно, соединены между собой и с основанием (1) с образованием квадрата для обеспечения симметричного внедрения в почву.
[042] Спиралевидные участки (4) зубцов (2) закручены симметрично в одном направлении вокруг оси (Y) основания в многозаходную спираль, образующую пространственное тело вращения. Тело вращения, предпочтительно, представляет собой цилиндр, но может также иметь форму конуса, бочки или иную.
[043] При этом спиральная линия спиралевидного участка (4) каждого зубца (2), предпочтительно, имеет постоянный шаг (S), который определяется как расстояние между соседними витками спирали вдоль ее оси (см. фиг. 4).
[044] Высота (Н) спиралевидного участка (4) зубца (2) вдоль оси (Y) основания (1) и длина (L) линии, соединяющей концы спиралевидного участка (3) зубца (2) должно удовлетворять соотношению H/L=0,55 - 0,85. При этом для цилиндрической спирали с постоянным шагом (S) угол (ϕ) подъема спирали составляет, предпочтительно, 35-55° и определяется как угол наклона линии спирали на развертке тела вращения (см. фиг. 4).
[045] Спиралевидные участки зубцов (2), предпочтительно, имеют заострение концов, которое облегчает внедрение в почву. Заострение может быть выполнено в форме конуса или в виде скошенной поверхности. Основание (1) и зубцы (2) могут выполняться из металлического материала, в частности стали. При этом зубцы могут быть соединены с концом основания посредством сварки, пайки или любым другим способом.
[046] Работа ручного культиватора осуществляется циклично и включает три фазы: исходное положение, вращение с заглублением в почву (движение вниз), продолжение вращения с поднятием вверх. Сначала рабочий орган устанавливается в исходное положение вертикально на зону обработки. Далее осуществляют вращение рабочего органа с помощью ручки (6) культиватора. Спиралевидные участки (4) зубцов (2) прокалывают почву, частично разрушают ее и обеспечивают заглубление инструмента. При этом зубцы (2) работают как цилиндрический многозаходный штопор, отделяя обрабатываемую часть почвы от общей массы пласта. Затем рабочий орган продолжает вращение в том же направлении и меняет вертикальный вектор движения, перемещаясь вверх. Зубцы (2) окончательно разрушают стенки цилиндра, цепляют и извлекают корни сорняков на поверхность, проходя через толщу почвы, и возвращаются в исходное положение.
[047] Для подтверждения эффективности заявленной конструкции были проведены испытания рабочих органов с различными геометрическими параметрами. Были исследованы пять образцов рабочих органов, которые для объективности эксперимента имели одинаковые габаритные размеры рабочего органа: высоту (Н) спиралевидного участка зубцов и его радиус (R). При этом геометрия спиралевидных участков зубцов у образцов была различная.
[048] Каждый из образцов был испытан пятью участниками эксперимента, которые проводили рыхление почвы в идентичных условиях в течение одного часа с целью определения производительности работы. Рыхление производилось на всю высоту зубцов при их заглублении примерно на 160 мм. Для обеспечения одинаковой нагрузки на участников в процессе работы у них контролировали частоту сердечных сокращений так, чтобы она находилась в приемлемом рабочем диапазоне 100-120 ударов/мин. Для исключения фактора усталости исследования с разными образцами проводились в разные дни.
[049] В таблице 1 показаны результаты испытания образцов рабочих органов культиватора.
[050] Как видно из результатов таблицы, образцы № 2, 3 и 4, геометрические параметры которых находятся в приведенных выше интервалах значений, показали наилучшие результаты по производительности рыхления при сравнительно одинаковой нагрузке на участников. При этом производительность работы с образцами № 1 и 5 показала значительно более низкие результаты, которые сопоставимы с производительностью рыхления традиционными ручными инструментами.