Способ безотвальной глубокой обработки почвы и устройство для его осуществления
METHOD FOR DEEP SUBSURFACE TILLAGE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, в частности к орудиям для мелиоративной обработки почвы.
Известны способы и орудия для безотвальной обработки почвы, такие как чизельные плуги, плоскорезы-глубокорыхлители [1], плуги с вырезными отвалами, использующие деформации сжатия и сдвига, являются более энергоемкими.
Известны глубокорыхлитель-щелерез [2] и устройство для обработки высокоуплотненных почв [3] на глубину до 0,8…1 м, а также устройства [4] и [5], оборудованные вибрирующими наконечниками (ножами). Общим недостатком данных устройств является их высокая энергоемкость.
Известно почвообрабатывающее орудие - прототип [6] для безотвальной обработки почвы, посредством кривошипа, шарниров и рычага с коромыслом исполнительные рабочие органы которого описывают в почве эллипсообразные циклоиды. Недостатком указанного устройства является то, что оно производит разуплотнение почв только на глубине 0,28 м, то есть менее 1,00 метра.
Цель изобретения - увеличение запасов влаги в метровом слое почвы и снижение затрат энергии на привод вилообразных рабочих органов.
Указанная цель достигается тем, что глубокую безотвальную обработку почвы осуществляют путем поочередного разуплотнения пластов почвы вилообразными рабочими органами сначала на глубину пахотного слоя до 25 см, затем на глубину верхнего подпахотного слоя до 50 см, потом на глубину среднего пахотного слоя до 75 см и в последнюю очередь на глубину нижнего подпахотного слоя до 100 см. Толщина каждого поочередно разуплотняемого слоя подпахотного горизонта почвы составляет 25 см и в сумме обеспечивает разуплотнение пластов почвы в метровом слое.
Разуплотнение пахотного слоя осуществляется вилообразными рабочими органами, имеющими по четыре зуба, верхнего подпахотного слоя - вилообразными рабочими органами, имеющими по три зуба, среднего подпахотного слоя - вилообразными рабочими органами, имеющими по два зуба, а нижнего подпахотного слоя - вилообразными рабочими органами, имеющими по одному зубу.
При этом создаются условия для лучшего впитывания воды в нижние горизонты, а также улучшается доступ воздуха в почву.
Вместе с тем в устройстве для глубокой безотвальной обработки почвы, содержащем левый и правый модули, вилообразные рабочие органы и их привод, которые выполнены в виде шарнирных четырехзвенников с коромыслом, положение кривошипов привода вилообразных рабочих органов правого блока модулей зеркально симметричны положению кривошипов привода вилообразных рабочих органов левого блока модулей относительно продольной оси устройства. Вилообразные рабочие органы для обработки пахотного слоя имеют по четыре зуба, для обработки верхнего подпахотного слоя имеют по три зуба, для обработки среднего подпахотного слоя имеют по два зуба, для обработки нижнего подпахотного слоя имеют по одному зубу. Кроме того, кривизна зубьев вилообразных рабочих соответствует кривизне эпициклоиды на участке вдавливания зуба в пласт почвы с толщиной слоя d.
На фиг. 1 изображена схема взаимного расположения кривошипов модулей и поочередного разуплотнения пластов почвы вилообразными рабочими органами (вид слева).
На фиг. 2 представлена схема расположения кривошипов модулей для поочередного разуплотнения пластов почвы вилообразными рабочими органами (вид сверху).
На фиг. 3 показана схема модуля для поочередного разуплотнения пласта почвы с траекториями движения характерных точек основных его звеньев и вилообразного рабочего органа.
На фиг. 4 изображены схемы (вид спереди и вид слева) вилообразных рабочих органов для поочередного разуплотнения пластов почвы.
На фигурах приведены следующие обозначения:
А - блок модулей для поочередного разуплотнения пласта пахотного слоя почвы четырехзубовыми вилообразными рабочими органами;
В - блок модулей для поочередного разуплотнения верхнего пласта подпахотного слоя почвы трехзубовыми вилообразными рабочими органами;
С - блок модулей для поочередного разуплотнения среднего слоя подпахотного горизонта почвы двухзубовыми вилообразными рабочими органами;
D - блок модулей для поочередного разуплотнения нижнего слоя подпахотного горизонта почвы однозубовыми вилообразными рабочими органами;
ω - угловая скорость вращения кривошипа;
V - переносная скорость устройства для разуплотнения пластов почвы;
a
b - дуга окружности траектории балансира шарнирного четырехзвенника;
с - эпициклоида траектории точки вилообразного рабочего органа в относительном движении при отсутствии переносного движения устройства для поочередного разуплотнения пластов подпахотного горизонта почвы;
с' - эпициклоида траектории точки вилообразного рабочего органа в относительном движении при переносном движении устройства для поочередного разуплотнения пластов подпахотного горизонта почвы со скоростью V';
сʺ - эпициклоида траектория точки вилообразного рабочего органа в относительном движении при переносном движении устройства для поочередного разуплотнения пластов подпахотного горизонта почвы со скоростью Vʺ;
d - толщина слоя пласта подпахотного горизонта почвы до разуплотнения;
е - толщина слоя пласта подпахотного горизонта почвы после разуплотнения.
Устройство состоит из левой и правой половин блока модулей А, В, С и D. Каждый модуль (фиг. 1) состоит из кривошипа 1, шатуна 2, балансира 3, станины (рамы) 4, коромысла 5 и вилообразного рабочего органа 6. Кривошип 1 соединен с верхней шейкой шатуна 2, нижняя шейка шатуна 2 соединена с балансиром 3.
Вилообразный рабочий орган 6 закреплен жестко на коромысле 5, который кинематически является продолжением шатуна 2. Привод валов кривошипов 1 осуществляется гидромоторами 7 через шлицевые втулки 8 на левую половину 9 блока модулей и на правую половину 10 блока модулей (фиг. 2). Левая половина 9 блока модулей А, В, С и D состоит из модулей 11, 12, …26. Правая половина блока модулей А, В, С и D состоит из модулей 27, 28, …42.
Вилообразные рабочие органы 6 блока модулей А разуплотняют пласт пахотного слоя почвы, вилообразные рабочие органы 6 блока модулей В разуплотняют верхний пласт подпахотного горизонта почвы, вилообразные рабочие органы 6 блока модулей С разуплотняют средний пласт подпахотного горизонта почвы, вилообразные рабочие органы 6 блока модулей D (фиг. 2) разуплотняют нижний пласт подпахотного горизонта почвы.
Для обеспечения устойчивости относительно продольной оси блоков модулей А, В, С и D схема расстановки вилообразных рабочих органов 6 правой половины 10 блока модулей А, В, С и D выполнена симметрично схеме расстановки вилообразных рабочих органов 6 левой половины 9 блока модулей А, В, С и D.
Для снижения пиковой нагрузки на привод вилообразных рабочих органов 6 блока модулей А, В, С и D выполнено смещение положения кривошипа 1 модуля по отношению к положению кривошипа 1 соседнего модуля на угол ϕ=(360°:n), где ϕ - угол между положениями кривошипов 1 соседних модулей по направлению вращения кривошипа 1, n - число кривошипов 1 вилообразных рабочих органов 6 на левой (правой) половине блока модулей А В, С и D. Так, при n=4 угол между положениями соседних кривошипов 1 ϕ=90°, при n=3 угол между положениями соседних кривошипов 1 ϕ=120°, при n=2 угол между положениями соседних кривошипов 1 ϕ=180°. Число шлицев на втулке 8 и на валу кривошипа 1 кратно числу n.
При числе модулей n=4 в левой (правой) половине блока модулей А, В, С и D углы между положениями кривошипов 1 соседних модулей ϕ=90° обеспечиваются шлицевыми втулками 8, число шлицев которых кратно n.
Симметричность и очередность вдавливания вилообразных рабочих органов 6 в пласты и их разуплотнение вилообразными рабочими органами 6 левой и правой половины блоков модулей А, В, С и D достигаются установкой исходных положений кривошипа 1 вилообразного рабочего органа 6 модуля при помощи шлицевой втулки 8.
У левого блока модулей А исходным положением кривошипа 1 вилообразного рабочего органа 6 модуля 11 является вертикальное вверх, положение кривошипа 1 вилообразного рабочего органа 6 модуля 12 - горизонтальное назад, положением кривошипа 1 вилообразного рабочего органа 6 у модуля 13 - вертикальное вниз, положением кривошипа 1 вилообразного рабочего органа 6 у модуля 14 - горизонтальное вперед.
У левого блока модулей В исходным положением кривошипа 1 вилообразного рабочего органа 6 модуля 15 является горизонтальное назад, у модуля 16 - вертикальное вниз, у модуля 17 - горизонтальное вперед, у модуля 18 - вертикальное вверх.
У левого блока модулей С исходным положением кривошипа 1 вилообразного рабочего органа 6 модуля 19 является вертикальное вниз, у модуля 20 - горизонтальное вперед, у модуля 21 - вертикальное вверх, у модуля 22 - горизонтальное назад.
У левого блока модулей D исходным положением кривошипа 1 вилообразного рабочего органа 6 модуля 23 является горизонтально вперед, у модуля 24 - вертикальное вверх, у модуля 25 - горизонтальное назад, у модуля 26 - вертикальное вниз.
У правого блока модулей А исходным положением кривошипа 1 вилообразного рабочего органа 6 модуля 27 является горизонтальное назад, у модуля 28 - вертикальное вниз, у модуля 29 - горизонтальное вперед, у модуля 30 - вертикальное вверх.
У правого блока модулей В исходным положением кривошипа 1 вилообразного рабочего органа 6 модуля 31 является вертикальное вниз, у модуля 32 - горизонтальное вперед, у модуля 33 - вертикальное вверх, у модуля 34 - горизонтальное назад.
У правого блока модулей С исходным положением кривошипа 1 вилообразного рабочего органа 6 модуля 35 является горизонтальное вперед, у модуля 36 - вертикальное вверх, у модуля 37 - горизонтальное назад, у модуля 38 - вертикальное вниз.
У правого блока модулей D исходным положением кривошипа 1 вилообразного рабочего органа 6 модуля 39 является вертикально вверх, у модуля 40 - горизонтальное назад, у модуля 41 - вертикальное вниз, у модуля 42 - горизонтальное вперед.
а
При работе разуплотнителя пластов подпахотного горизонта почвы кривошип 1 (фиг. 3) за один оборот совершает относительное вращательное движение по траектории окружность и абсолютное движение по траектории циклоида. Балансир 3 совершает относительное движение по траектории дуга окружности. Шатун 2 верхним концом совершает относительное вращательное движение по траектории окружность вместе с кривошипом 1, а нижним концом совершает относительное движение по траектории дуги окружности b вместе с балансиром 3. Любая точка, принадлежащая вилообразному рабочему органу 6, расположенная на коромысле 5, движется по траектории эпициклоида: траектории с в относительном движении, траектории с' в абсолютном движении при переносной скорости V', траектории сʺ в абсолютном движении при другой переносной скорости Vʺ движения устройства для разуплотнения пластов подпахотного горизонта почвы. Зубья вилообразного рабочего органа 6 вдавливаются в пласт толщиной d, отделяют слой и разуплотняют пласт до толщины е.
Вилообразные рабочие органы 6 блоков модулей А, В, С и D (Фиг. 4) вдавливаются в пласты и разуплотняют их поочередно: вначале четырехзубовые вилообразные рабочие органы 6 блока модулей А для разуплотнения пахотного слоя почвы на глубине 25 см, затем трехзубовые вилообразные рабочие органы 6 блока модулей В для разуплотнения верхнего подпахотного слоя почвы на глубине 50 см, потом двухзубовые вилообразные рабочие органы 6 блока модулей С для разуплотнения среднего подпахотного слоя почвы на глубине 75 см, последними - однозубовые вилообразные рабочие органы 6 блока модулей D для разуплотнения нижнего подпахотного слоя почвы на глубине 100 см.
Затраты энергии (расхода топливно-смазочных материалов) на привод вилообразных рабочих органов 6 прямо пропорциональны: сопротивлению движения вилообразных рабочих органов при разуплотнении пластов подпахотного горизонта почвы, числу зубьев вилообразных рабочих органов 6 и толщине пласта. Зубья (Фиг. 4) вилообразных рабочих органов 6 модульного разуплотнителя пластов подпахотного горизонта почвы требуют меньших значений усилия при вдавливании в пласт почвы, чем у лопатообразных рабочих органов. Затраты энергии (расхода топливно-смазочных материалов) на привод вилообразных рабочих 6 при разуплотнении пластов подпахотного горизонта почвы зависят от вида преодолеваемых напряжений: наибольшие при смятии почвы, наименьшие при растяжении и промежуточные при сдвиге почвы. Снижение затрат энергии на привод вилообразных рабочих органов 6 при разуплотнении пластов подпахотного горизонта почвы достигается за счет уменьшения числа зубьев вилообразных рабочих органов 6 с трех в верхнем слое подпахотного горизонта почвы, до двух в среднем и до одного зуба в нижнем слое подпахотного горизонта почвы.
Кривизна зубьев вилообразных рабочих органов 6 модуля влияет на величину затрат энергии при вдавливании в пласт почвы. Наименьшие значения затрат энергии при вдавливании в пласт почвы требуются при кривизне зубьев рабочего органа 6 такой же, как кривизна (фиг. 3) эпициклоиды с' на участке вдавливания зуба в пласт почвы с толщиной слоя d соответственно при скорости V' и при кривизне зубьев рабочего органа 6 такой же, как кривизна эпициклоиды сʺ на участке вдавливания зуба в пласт почвы с толщиной слоя d соответственно при другой скорости Vʺ, причем значение скорости Vʺ больше, чем значение скорости V'.
Таким образом, в результате использования предлагаемого изобретения следует ожидать:
3
1. Уменьшения потерь урожая, возникающие при переуплотнении почвы, так как потери урожая при переуплотнения почвы от нормы только на 0,1 кг/дм составляют 3…4 ц/га у зерновых культур, 30…40 ц/га у клубнекорнеплодов.
2. Увеличения запасов влаги в метровом слое почвы, так как уменьшение запасов влаги в метровом слое почвы из-за переуплотнении приводит к существенному недобору части или гибели всего урожая.
3. Уменьшения затрат энергии на привод вилообразных рабочих органов (расхода топливно-смазочных материалов) при разуплотнении пластов подпахотного горизонта почвы до 30%.
Источники информации
1. Патент RU 2518454 С1, МПК A01B 13/08, 2006.
2. А.с. СССР №250564, МПК A01B 13/16, 1968.
5
3. United States Patent 4,924,946 Int. Cl.: A01B 13/08, 15.05.90.
5
4. EUROPAISCHE PATENTSCHRIFT 0157337 B1 Int. Cl.: A01B 13/08, E02F 5/30. 16.05.90.
3
5. EUROPAISCHE PATENT 0025568 A1 Int. Cl.: A01B 13/14, A01B 17/00, 05.09.80.
6. Патент RU 2321195 C2, МПК A01B 11/00. 2008.