КОМБИНИРОВАННЫЙ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИЙ РАБОЧИЙ ОРГАН
COMBINED TILLAGE WORKING ELEMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, а именно к машинам для сплошной обработки почвы.
Уровень техники
Известен комбинированный почвообрабатывающий рабочий орган, включающий последовательно распложенные плоские ножи и прутковый каток. Нож установлен под углом 25…35° к направлению движения и закреплен к раме. Использование вместо стрельчатых лап ножей снижает тяговое сопротивление (см. Мазитов Н.К. Машины почвоводоохранного земледелия. - М.: Россельхозиздат, 1987. - С.13…15).
В качестве недостатков необходимо отметить следующее: так как используются радиальные грядили, сохраняется повышенная вариабельность глубины обработки, из-за небольшого угла крошения ножей ухудшается процесс крошения ими почвы.
Наиболее близким по технической сущности является комбинированный почвообрабатывающий рабочий орган парового модульного культиватора, содержащего четырехзвенные параллелограммные подвески, к задним звеньям каждой пары которых крепится двухцилиндровый каток с расположенным под ним по всей длине плоским ножом. Ребра наружного цилиндра выполнены с поочередным чередованием из прутка квадратного сечения и круглозвенной цепи. Внутренний цилиндр гладкий (см. Патент РФ №78625, кл. А01В 33/00, опубл. 2008 г.).
Одним из существенных недостатков его является нависание на плоском ноже растительных остатков, подрезанных сорняков. Использование внутреннего цилиндра и круглозвенных цепей увеличивает его материалоемкость.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению надежности работы машины, повышению степени крошения почвы, увеличению производительности, снижению материалоемкости.
Технический результат достигается тем, что комбинированный почвообрабатывающий рабочий орган, содержащий прутковый каток с чередующимися прутками квадратного сечения, подшипниковые узлы, закрепленные к задним звеньям четырехзвенной параллелограммной подвески, установленный под катком плоский нож со стойками, имеющими возможность перемещения вверх-вниз, вперед-назад, при этом прутки образуют ромбовидную поверхность катка путем чередования прутков, установленных параллельно оси и под углом к ней, причем к наружным передним граням параллельно расположенных прутков в шахматном порядке закреплены иглы, часть которых входит во внутреннее пространство пруткового катка, часть - выходит наружу, при этом вылет игл наружу составляет 0,4…0,5 от вылета внутрь пространства пруткового катка, а угол крошения плоского ножа составляет 5...7°, причем угол наклона прутков к оси пруткового катка составляет 18…27° и равен углу трения почвы по стальной поверхности.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 - схема комбинированного почвообрабатывающего рабочего органа, общий вид.
На фиг.2 - схема сил, действующих на плоский нож.
На фиг.3 - схема взаимодействия игл с комками почвы и ножом.
Осуществление изобретения
и
и
и
и
и
и
Комбинированный почвообрабатывающий рабочий орган включает прутковый каток 1 (фиг.1), выполненный из прутков 2 квадратного сечения. Один ряд 3 прутков 2 расположен параллельно оси (не показана) пруткового катка 1, а другой 4 - под углом, причем угол наклона ряда прутков 4 к горизонтальной оси должен быть равен углу трения почвы по стальной поверхности 18…27° (см. Кленин Н.И., Сакун В.А. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. - М.: Колос, 1994). В противном случае происходит снижение надежности работы (проверено опытным путем). Комбинация прутков 2 образует ромбовидную поверхность (не отмечена) пруткового катка 1. На передних гранях 5 прутков 2 ряда 3 закреплены в шахматном порядке иглы 6. По опыту плоских зубовых борон междуследие принято в пределах от 45 до 50 мм (см. Халанский В.М., Горбачев И.В. Сельскохозяйственные машины. - М.: Колос, 2006. - С.61…63). Длина иглы 6 включает три части: а+b+с (фиг.3). Величина b - это ширина грани прутка 2 квадратного сечения. Наиболее часто используются прутки сечения 14×14 мм или 16×16 мм. Внутренний вылет иглы 6, заходящий в пустотелое пространство пруткового катка 1 «а», должен соответствовать размеру наиболее часто находящихся на поверхности почвы комков 7. Это комки 7 почвы размером 50…60 мм. Наружный вылет иглы 6 «с» должен обеспечивать очистку плоского ножа 8 от растительности (растительные остатки, подрезанные сорняки). При диаметре стеблей растений 10…15 мм вылет иглы 6 должен равняться двукратному значению, то есть 20…30 мм, чтобы не забивалась сама игла 6 (доказано опытным путем).
Тогда длина иглы 6:
и
и
и
L=а+b+с=60+14+26=100 мм.
При этом вылет игл 6 наружу составляет
<mrow><mfrac><mrow><mn>26</mn></mrow><mrow><mn>60</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,43</mn></mrow>
от вылета иглы 6 внутрь пруткового катка 1.
Иглы 6 крепятся к передним граням 5 прутков 2, потому что при вращении пруткового катка 1 иглы 6 устанавливаются на активную очистку ножа 8 от растительных остатков (А) и после очистки находятся в вертикальном положении (Б), что обеспечивает сход с них счищаемых растительных остатков (не показаны). Использование прутков 2 квадратного сечения позволяет, во-первых, упростить установку на передние грани 5 игл 6, во-вторых, точно выдержать установку именно на те передние грани 5, которые обеспечивают необходимую траекторию движения игл 6, позволяющую как счищать нависающие на нож 8 растительные остатки, так и свободно, под действием сил тяжести, сбрасывать их на обработанную поверхность почвы.
Подшипниковые узлы 9 пруткового катка 1 крепятся к заднему звену 10 четырехзвенной параллелограммной подвески 11, соединенной с рамой (не показана) почвообрабатывающей машины.
Диаметр пруткового катка 1 должен обеспечивать перекатывание без сгруживания, толкания вперед комков 7 почвы.
<mrow><mi>D</mi><mo>=</mo><msub><mi>d</mi><mi>к</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>c</mi><mi>t</mi><msup><mi>g</mi><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>φ</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> мм</mtext><mtext>,                                                                 (1)</mtext></mrow>
d
к
где  - диаметр наиболее часто встречающихся на поверхности комков почвы, мм;
1
φ - угол трения почвы по поверхности катка;
2
φ - угол трения почвы по почве.
к
1
2
Приняв по известным данным: d=60 мм; φ=18°; φ=22° (см. Кленин Н.И., Сакун В.А. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины. - М.: Колос, 1994. - С.163), получим:
<mrow><mi>D</mi><mo>=</mo><mn>60</mn><mo>⋅</mo><mi>c</mi><mi>t</mi><msup><mi>g</mi><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><mn>18</mn><mo>+</mo><mn>22</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>60</mn><mo>⋅</mo><mn>7,5</mn><mo>=</mo><mn>450</mn><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow>
Диаметр пруткового катка 1 должен быть не менее 450 мм.
Отличительной особенностью предлагаемого пруткового катка 1 является то, что его ромбовидная поверхность улучшает качественные показатели работы. Она образована не путем расположения прутков 2 по винтовой линии напротив друг друга, а путем чередования одного ряда 3 прутков 2, расположенных параллельно оси пруткового катка 1, с рядом 4 прутков 2, расположенных под углом 18…27° к ней.
Установленные поперек друг друга прутки 2 не могут выравнивать поверхность почвы, так как их действия направлены навстречу друг другу.
В представленном варианте ряд 4 прутков 2 смещает почву, выравнивая поверхность, а ряд 3 прутков 2, параллельно расположенных оси пруткового катка 1, захватывает комки 7 почвы и подает их во внутреннее пространство (не обозначено) пруткового катка 1, где они подвергаются воздействию игл 6. Улучшается степень крошения почвы. Если угол наклона прутков к оси пруткового катка 1 будет меньше угла трения почвы по стальной поверхности, то смещение комков 7 в сторону будет тормозиться, а если больше - станет интенсивным, что ухудшает выравнивание поверхности (установлено опытным путем). Кроме того, опыт показывает, что такие прутковые катки технологичны в изготовлении.
л
Сопротивление почвы резанию зависит от объема почвы, сминаемого лезвием плоского ножа 8 V и коэффициента объемного смятия почвы q.
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>Р</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mi>л</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>q</mi><mo>,</mo><mi>H</mi><mo>.</mo><mtext>                                                                                             (2)</mtext></mrow>
Реакции почвы:
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>П</mi></msub><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>h</mi><mo>⋅</mo><mi>l</mi><mo>,</mo><mi>H</mi><mo>;</mo><mtext>                                                                                             (3)   </mtext></mrow>
h=c+a·cosα; c=b·sinα; h=b·sinα+а·cosα;
где k - удельное сопротивление почвы, Па;
h - высота лобовой части ножа, м;
а, b - толщина и ширина ножа, м;
α - угол наклона ножа к горизонтальной плоскости, угол крошения, град.
Отсюда:
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>П</mi></msub><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>b</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mi>α</mi><mo>+</mo><mi>a</mi><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>α</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>l</mi><mo>.</mo><mtext>                                                                   (4)</mtext></mrow>
Сила трения:
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>T</mi><mi>P</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>F</mi><mi>П</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mi>α</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><mtext>                                                                                    (5)</mtext></mrow>
1
п
тp
где f - коэффициент трения почвы по поверхности ножа. Как видно из формул (4); (5), чем меньше угол крошения α ножа 8, тем меньше силы F и F. Поэтому принимаем α=5…7° (установлено опытным путем).
Комбинированный почвообрабатывающий рабочий орган работает следующим образом.
Плоский нож 8 подрезает пласт почвы. При наезде пруткового катка 1 на комок 7 почвы возникает напряжение сжатия:
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mi>q</mi><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mo>,</mo><msup><mrow><mtext> H/м</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup><mo>,</mo><mtext>                                                                                       (6)</mtext></mrow>
где ∆ - линейная деформация почвы, м.
При достижении критического значения нормального напряжения σ комок 7 почвы разрушается.
K
Однако при этом сжимается и почва под комком 7, комок 7 приобретает ускорение g. Тогда на комок действует не вся сила тяжести (вес катка):
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>к</mi></msub><mo>=</mo><mi>m</mi><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>g</mi><mo>−</mo><msub><mi>g</mi><mi>к</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> H</mtext><mtext>,                                                                                (7)</mtext></mrow>
где m - масса катка, кг;
2
g - ускорение свободного падения, м/с.
к
Комок 7 может полностью вдавиться в нижележащую почву, сохранив свою целостность, что потом отрицательно скажется на качестве посева (доказано опытным путем). Необходимо исключить g - комок 7 должен оставаться неподвижным.
к
Расположенный под прутковым катком 1 плоский нож 8 обеспечивает стесненное сжатие комка 7. Исключаются затраты энергии на перемещение комка 7, придание ему ускорения g, и вес пруткового катка 1 полностью идет на его деформацию и крошение.
Часть комков 7 почвы попадает под прутки 2, а часть поступает во внутреннее пустотелое пространство пруткового катка 1. Эти комки 7 подвергаются интенсивному воздействию игл 6, расположенных на прутках 2, приводящему к их разрушению.
к
Внутренняя часть игл 6 перемещается по кривой, соответствующей укороченной циклоиде (не показана), наружная - удлиненной циклоиде 12 (фиг.3). Движение наружной части, расположенной вне окружности качения пруткового катка R, осуществляется по удлиненной циклоиде 12. Это способствует очистке плоского ножа 8 от зависающих после срезания сорняков и растительных остатков. Внутренняя часть игл 6 обеспечивает ударные воздействия на попавшие во внутреннее пространство пруткового катка 1 комки 7 почвы.
Предлагаемая полезная модель по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- повышается надежность работы машины за счет очистки плоского ножа от растительных остатков;
- установка на прутковый каток игл снижает материалоемкость путем ликвидации внутреннего цилиндра и цепей на катке;
- повышается на 20…25% степень крошения почвы за счет активного воздействия на комки игл (доказано опытным путем);
- повышается производительность за счет увеличения рабочей скорости движения с 10…12 км/ч до 14…16 км/ч.
- упрощается конструкция.