АГРЕГАТ РАЗРУШЕНИЯ КУСКОВОЙ СТРУКТУРЫ ПОЧВЫ ДО МЕЛКОЗЕРНИСТОЙ ФРАКЦИИ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ

Область техники
Заявляемая полезная модель относится к области обработки почвы и может быть использована для переработки трудно измельчаемых плотных включений, например, образуемых под давлением колес тяжелых тракторов на черноземных почвах. Кроме того, заявляемый агрегат может быть использован, в частности, в области рекультивации и утилизации пород отвалов строительных котлованов и вскрышной породы разрезов добывающих предприятий, например, для дробления обогащенной удобрениями почвы, имеющей комковатую структуру. Агрегат относится также к технологическому оборудованию, применяемому в области рекультивации элювиальных почв, и может быть использован в составе оборудования, реализующего технологический процесс обогащения обедненных почв торфогелем.
Задача рекультивации безжизненных пород отвалов строительных котлованов и разрезов добывающих предприятий в искусственную почву (конструктозем), на которой может произрастать культурная растительность, и годную для выращивания сельскохозяйственных культур, представляется крайне важной. Породы строительных котлованов и разрезов добывающих предприятий преимущественно представляют собой бесструктурную массу, имеют плотную упаковку частиц и не обладают плодородием. Состав таких отвальных пород нестабилен по физико-химическим свойствам, поэтому их использование весьма затруднено. Накапливание питательных веществ для растений длится многие годы.
Одним из шагов при ведении рекультивационных работ является смешивание обрабатываемой почвы с органическими веществами и полезными макро и микроэлементами, что способствует повышению ее плодородия, а также способствует ее оструктуриванию и насыщению. В качестве источника органических веществ и полезных микроэлементов может быть использован торфогель, при смешивании с которым достигается повышение водоудерживающей способности почв, восстановление полезной микрофлоры, восстановление гумусного слоя, повышение плодородия почв и т.д. (http://www.cisn.ru/zi/nov/tor.htm). Торфогель обладает адгезионными свойствами. При внесении торфогеля в почву частицы почвы слипаются и, высыхая, образуют корковый слой или кусковую структуру, которую нужно перерабатывать в мелкозернистую фракцию. После смешивания рекультивируемую породу с наполнителем, например, торфогелем, высушивают (в полевых условиях оставляют почву с внесенным торфогелем на период до 3-5 дней, в зависимости от погоды) до образования коркового слоя. Затем, согласно технологическому процессу, образованный корковый слой необходимо разрушить на месте, для чего кусковую структуру породы дробят до мелкозернистой фракции.
В других случаях почвенная корка образуется на плотных глинистых почвах, когда от сильных дождей изобильно содержащиеся в них иловатые частицы закупоривают более крупные поры, отчего эти почвы «заплывают» и на поверхности их появляется корка, затрудняющая доступ воздуха и тем вредно влияющая на рост растений. Такую корку также необходимо разрушать, обеспечивая оптимальные агрофизические свойства почвы, доступ кислорода к почве. Заявляемая полезная модель обеспечивает возможность такого разрушения породы в полевых условиях, без необходимости транспортировки к месту дробления как исходной структуры (кусков породы), так и измельченной фракции к месту выгрузки.
Уровень техники
Из уровня техники известны различные прицепные устройства, обеспечивающие дробление почвы до фракции необходимого размера. Преимущественно, такие устройства относятся к типу дисковых борон (http://old.mtzveles.ru/documents/art/agromachines/b02_3.htm). Режущая кромка диска бороны отрезает полоску почвы и поднимает ее на внутреннюю сферическую поверхность. Затем почва падает с некоторой высоты и отводится диском в сторону. В результате перемещения по диску и падения почва крошится, частично оборачивается и перемешивается. С увеличением угла атаки диски глубже погружаются в почву, крошение ее возрастает. Глубину обработки регулируют изменением угла атаки и давления дисков на почву. Давление регулируют изменением массы балласта или силы сжатия нажимных пружин.
Известные дисковые бороны обеспечивают формирование неравномерной по размеру (глыбистой и крупнокомковатой) структуры, что требует выполнения дополнительного боронования почвы после разрушения кусковой структуры. Кроме того, применение дисковых борон возможно только при определенной влажности почвы.
Известны также зубовые бороны (https://mirznanii.com/a/12475/pochvoobrabatyvayushchie-mashiny/), предназначенные для раздробления и рыхления глыб и пластов почвы после вспашки плугом, выравнивания поверхности поля, разрыхления верхнего слоя почвы и уничтожения почвенной корки, образующейся после дождей. Зубовая борона состоит из трех одинаковых звеньев. Зубья крепят в отверстиях, просверленных в местах пересечения продольных зигзагообразных и поперечных планок. Зигзагообразные планки позволяют разместить зубья так, чтобы каждый из них образовывал на поверхности поля самостоятельную борозду на одинаковом расстоянии одна от другой (49 мм у тяжелых и средних борон и 30 мм у легких).
Боронование почвы проводят для выравнивания поверхности почвы обработанной плугом. Зубья бороны врезаются в отвальные слои почвы, прорезают их, а разноразмерные агрегаты раздвигаются, сохраняя свои размеры, таким образом, дробление кусков породы оказывается незначительным и неравномерным. Таким образом, при необходимости разрушения утолщенного коркового слоя, данное устройство неприменимо.
Из уровня техники известно также устройство для разрушения довсходовой почвенной корки (патент РФ № 2289898), содержащее раму, жестко присоединяемую к навеске трактора. К нижней части рамы на пружинах подвешен рабочий орган с расположенным на нем вибратором, установленным в направляющих, жестко соединенных с рамой. Рабочий орган выполнен в виде прямоугольного стального корпуса, имеющего встроенные подпружиненные посредствам пружин режущие элементы, выполненные в виде пластин, установленные в направляющих. Режущие элементы установлены в шахматном порядке и расположены перпендикулярно друг к другу.
Недостатком данного устройства является неполное разрушение почвенной корки из-за осуществления процесса разрушения только в одной плоскости. Кроме того, разрушение почвенной корки происходит со скольжением, что обусловлено малой глубиной обработки. Работа агрегата сопровождается повышенным шумом.
Известно также применение секции дисков почвообрабатывающего катка (патент РФ №169679) в составе почвообрабатывающего орудия, используемого для выравнивания и уплотнения поверхности почвы, дробления и разрушения глыб, комков и корки. При этом секция состоит из установленных на валу поочередно основного и подвижного дисков, причем основной диск жестко закреплен на валу, а подвижный - свободно движется между основными дисками, вал закреплен на кронштейне через два подшипниковых узла, смещенных к центру секции, причем с двух сторон от каждого узла на валу установлены диски с укороченной ступицей.
В известном устройстве измельчение почвы происходит методом растирания между вращающимися дисками с постоянно изменяемой величиной зазора между ними. В результате при такой обработке получают почвенные агрегаты и комки разноразмерной величины, что потребует дополнительной последующей обработки почвы для ее выравнивания.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является орудие для измельчения твердых комков и почвенной корки (патент РФ №2444876), включающее раму, ножи, опорный каток и устройство для соединения орудия с трактором, при этом орудие дополнительно имеет на раме балластную емкость, обеспечивающую возможность изменения давления опорного катка на почву, при этом на периферии опорного катка расположены заостренные выступы, а на раме орудия закреплены направляющие толкатели, причем по всей периферии опорного катка в выполненных специальных отверстиях расположены рыхлительные штанги, установленные с возможностью упора в ось опорного катка.
Ножи, диски и опорный каток известного устройства не обеспечивают интенсивного крошения и не разрыхляют до необходимой структуры почву, особенно, при обработке почв с высокой твердостью коркового слоя. Устройство обеспечивает низкое вертикальное воздействие на почву со стороны орудия, что впоследствии требует дополнительного применения на этих участках других машин и механизмов.
Актуальность проблемы разрушения крепкой почвенной корки, образующейся в период прорастания растений или после внесения удобрений, объясняется тем, что из-за корки посевы иногда не прорастают, что приводит к необходимости пересева огромных площадей. Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемой полезной модели, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих аналогам технического решения, за счет повышения надежности устройства, посредством которого достигается равномерное разрушение коркового слоя и кусковой структуры почвы в полевых условиях на любых почвах, с измельчением ее до агрономически ценных фракций.
Краткое раскрытие сущности полезной модели
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого агрегата, заключается в расширении арсенала известных средств, а также обеспечении формирования равноразмерной мелкозернистой структуры почвы, не требующей дополнительной ее обработки для достижения однородности структуры.
Заявленный технический результат достигается тем, что агрегат разрушения кусковой структуры почвы до мелкозернистой фракции, выполненный с возможностью зацепления к тяговому устройству, согласно техническому решению, включает боковые стенки, между которыми закреплен клиновой рабочий орган, обеспечивающий срезание слоя почвы заданной толщины, нижний и верхний ряды рабочих органов, установленные за клиновым рабочим органом на осях, закрепленных в боковых стенках агрегата с возможностью вращения, и узел передачи вращения от тягового устройства к рабочим органам агрегата, при этом клиновой рабочий орган установлен с возможностью регулировки его заглубления в почву, имеет заостренный подрезающий торец и наклонную рабочую поверхность, нижний ряд рабочих органов выполнен в виде блока последовательно установленных валков, оси которых сопряжены между собой цепными передачами, а верхний ряд рабочих органов представляет собой пары передних и задних катков, установленных с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения валков, с изменяющимся зазором относительно блока валков, при этом оси всех нижних и верхних рабочих органов соединены посредством цепных передач с узлом передачи вращения. Каждый валок представляет собой комплект дисков, установленных на общей оси с зазором друг от друга, при этом валки установлены с возможностью частичного размещения в зазорах дисков смежных валков. Каждый задний каток представляет собой комплект независимых дисковых ободов, соединенных посредством упругих элементов с центральными втулками, установленными на общей оси, при этом дисковые обода установлены с возможностью эксцентричного смещения относительно центральной втулки. Каждый передний каток представляет собой цилиндрическую поверхность, на которой закреплены металлические пластины, представляющие собой грунтозацепы. Узел передачи вращения от тягового устройства к рабочим органам агрегата представляет собой установленный с возможностью вращения карданный вал, с одной стороны, выполненный с возможностью присоединения к тяговому устройству, а с другой стороны, соединенный с шестерней зубчатой пары, обеспечивающей передачу вращения от карданного вала к осям валков и катков через цепную передачу.
Технический результат достигается за счет разработки конструкции агрегата, который снимает слой почвы заданной толщины клиновым рабочим органом, затем пропускает ее между вращающимися валками и катками, которые дробят кусковые фракции и продавливают их сквозь зазоры между дисками валков.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично показан вид сбоку на заявляемый агрегат.
На фиг.2 схематично показан вид сверху на агрегат.
На фиг.3 показаны фрагменты смежных валков.
Позициями на чертежах обозначены:
1. корпус агрегата
2. цилиндрические шестерни
3. передние катки
4. цепная передача
5. задние катки
6. валки
7. клиновой рабочий орган
8. карданный вал
9. коническая зубчатая пара
10. передние колеса агрегата
11. диски валков
12. проставки
Осуществление полезной модели
Заявляемый агрегат представляет собой прицепное устройство, монтируемое посредством, например, навески к трактору или иному тяговому устройству (не показано на фиг.). Агрегат снабжен четырьмя колесами, попарно расположенными в передней и задней части устройства. Передние колеса 10 снабжены подъемниками (механическими или гидравлическими), посредством изменения положения которых достигается изменение положения агрегата относительно обрабатываемого слоя почвы и, соответственно, обеспечивается возможность регулировки глубины снимаемого коркового слоя почвы (не показаны).
Агрегат имеет корпус 1, сформированный двумя боковыми стенками, соединенными клиновым рабочим органом (клином) 7, расположенным в передней части устройства со стороны размещения тягового устройства, и жесткими профилями. Расстояние между боковыми стенками определяется, исходя из необходимой ширины захвата слоя почвы, и в общем случае может составлять 1.2-2 м, что обеспечивает удобство навески к трактору и разворота агрегата на поле. Клин 7 представляет собой рабочий орган, обеспечивающий подрезание слоя почвы, подлежащего дальнейшей обработке. Он выполнен в виде металлического полотна, согнутого с образованием заостренного торца (клина в сечении его плоскостью, ориентированной вдоль направления движения агрегата (продольное сечение)), при этом угол наклона рабочей поверхности клина к плоскости обрабатываемой почвы составляет 30-35°. Меньший угол приводит к снижению прочности данного рабочего органа и может привести к его поломке в процессе эксплуатации, а больший угол приводит к созданию увеличенного сопротивления, что, в свою очередь, приводит к увеличению нагрузки на тяговое устройство. Клин жестко закреплен между боковыми стенками агрегата. Протяженность наклонно размещенного полотна (рабочей поверхности), по которому перемещается срезаемый корковый слой почвы составляет не менее 60 см. Клин установлен с возможностью заглубления в почву, ниже линии установки всех остальных узлов агрегата. Между боковыми стенками перпендикулярно направлению движения агрегата установлены ряды валков и катков, предназначенных для измельчения породы. Указанные рабочие органы установлены в два ряда - нижний и верхний, соответственно. В боковых стенках выполнены отверстия, предназначенные для размещения осей всех валков и катков, используемых в агрегате. За клином по ходу движения агрегата установлен блок валков 6, осями закрепленных к боковым сторонам агрегата. Валки представляют собой комплекты дисков 11 диаметром 14-16 см и толщиной 4-5 мм, жестко установленных на параллельно размещенных осях с возможностью вращения вместе с осью. Между соседними дисками на оси установлены цилиндрические проставки 12 длиной 18-25 мм диаметром не более 60 мм. Расстояние между осями соседних валков составляет 11-15 см. При этом диски соседних валков смещены друг относительно друга, таким образом, что в зазор между двумя дисками одного валка проходит диск соседнего валка (фиг.3). Промежутки между дисками смежных (соседних) валков образуют сквозные зазоры величиной 7-10 мм. Количество валков зависит от диаметра составляющих его дисков и диаметров катков, установленных в верхнем ряду. Последняя пара валков расположена симметрично относительно нижней точки последнего катка и в оптимальном случае, количество валков составляет 10-12 шт. Оси валков соединены между собой цепными передачами 4, обеспечивающими одновременное вращение всех валков при приведении во вращение первого валка из блока. Валки обеспечивают измельчение почвы при попадании ее между смежными дисками. Вращающий оси валков узел расположен с внешней стороны корпуса агрегата и представляет собой карданный вал 8, соединяющий агрегат с блоком отбора мощности тягового устройства (трактором) с одной стороны, и взаимодействующий с конической зубчатой парой 9 с другой стороны. Зубчатая пара обеспечивает преобразование продольного вращения карданного вала в поперечное вращение зубцов пары 9 и, как следствие, вращение последовательно соединенных с зубчатой парой валков. Таким образом, достигается вращение валков со скоростью 100-120 оборотов в минуту.
Над валками также на осях, закрепленных в боковых стенках корпуса агрегата, установлены две пары катков (передние) 3 и (задние) 5. Их оси, также как и валки, соединены цепными передачами, обеспечивающими одновременное вращение катков во встречном, относительно валков, направлении. Ось первого, установленного по ходу движения агрегата, катка соединена цепной передачей с цилиндрическими шестернями 2, за счет вращения которых и происходит смена направления вращения катков на встречное, относительно валков. Скорость вращения пары катков 3 составляет 60-70 оборотов в минуту. Два первых катка 3 установлены перпендикулярно направлению движения агрегата и представляют собой полые цилиндры диаметром 30-35 см, закрепленные к соответствующим осям. На цилиндрических поверхностях катков выполнены металлические выступы в виде пластин грунтозацепов длиной 80-100 мм, высотой 20-25 мм и шириной 30-35 мм, с наклоном их боковых поверхностей к плоскости, касательной к цилиндрической поверхности катка, 10-15°. Грунтозацепы расположены в несколько рядов и могут быть выполнены, например, в соответствии с известной конструкцией (https://motoblok66.ru/catalog/navesnoe_oborudovanie/navesnoe_oborudovanie_dlya_motobloka/2877/). При этом грунтозацепы смежных рядов сдвинуты относительно друг друга и развернуты на угол 90°. Вершины углов грунтозацепов направлены в сторону вращения катков. Торцы катков закрывают диски, соединяющие цилиндрическую часть катка с его осью вращения и примыкающие к боковым стенкам корпуса агрегата. Катки 3 установлены с зазором относительно нижнего ряда валков. При этом один каток в паре установлен с большим зазором, чем другой. Оптимальными значениями зазоров являются значения 13-16 см и 9-12 см соответственно для последовательно установленных по направлению движения агрегата катков. Передние катки обеспечивают изменение направления движения снимаемого клином слоя почвы и направляют его в сторону валков и задних катков. Пара передних катков обеспечивает также продвижение и разрушение крупных кусковых фракций почвы. За катками 3 также на осях, закрепленных в боковых стенках корпуса, установлена пара задних катков 5, каждый из которых образован комплектом независимых колес, закрепленных на одной оси. Катки 5 обеспечивают продавливание почвы через зазоры между дисками расположенных под ними валков. Колесо катка 5 образовано дисковым ободом с гладкой поверхностью и центральной втулкой, соединенных между собой упругими элементами (например, пружинами или гнутыми спицами). Втулки колес жестко закреплены на оси катка. Тем самым достигается возможность эксцентричного смещения обода колеса относительно втулки (и оси катка). Диаметр колес катков 5 превышает диаметр катков 3 и составляет 45-50 см, что обусловлено возможностью перемещения обода относительно втулки на 6-10 см при сжатии и растяжении пружин. Скорость вращения катков 5 составляет 30-35 оборотов в минуту. Катки 5 установлены с зазором относительно нижнего ряда валков. При этом один каток установлен с большим зазором, чем другой. Оптимальными значениями зазоров являются значения 3-4 см и 0,5-1 см соответственно для последовательно установленных катков. Такое снижение величины зазора вызвано изменением количества поступающей к каткам почвы.
Заявляемый агрегат работает следующим образом.
Агрегат устанавливают на ровной поверхности и присоединяют к тяговому устройству сцепным устройством.
Поднимая или опуская передние колеса, устанавливают глубину погружения клина в почву с учетом толщины образовавшегося коркового слоя, подлежащего измельчению.
При движении агрегата клин срезает корковый слой почвы на заданную глубину, которая по наклонной рабочей поверхности клина, ограниченной боковыми стенками корпуса агрегата, поднимается к каткам 3. Каток, вращаясь в направлении движения агрегата, захватывает срезанную почву грунтозацепами и направляет в зазор между передними катками и рядом валков. При этом грунтозацепы ломают корковые образования и крупные кусковые фракции. Следующий каток грунтозацепами совместно с валками продвигает почву дальше. При этом каток, установленный с меньшим зазором относительно ряда валков, прижимает почву к вращающимся дискам валков, которые дробят ее в мелкие почвенные зерна. Почвенные зерна меньших размеров, чем зазоры между дисками валков, просыпаются вниз, а более крупные зерна продвигаются к последующим каткам. Следующие катки продавливают почвенные зерна сквозь зазоры между дисками валков. При этом диски валков захватывают частицы почвы, растирают их боковыми поверхностями и сбрасывают вниз. Растирание происходит из-за неодинаковой линейной скорости кольцевых участков разного диаметра смежных вращающихся дисков. При попадании в агрегат камней, валки продвигают их вместе с почвой под колеса задних катков. Обода колес поднимаются, обкатывая отдельные камни, сжимают нижние упругие элементы и растягивают верхние. Камни, не задерживаясь, продолжают движение, а колеса возвращаются в исходное состояние. Двухсторонние цепные передачи валков и катков обеспечивают плавную и надежную работу валков и катков, оси которых удалены друг от друга. Равная величина зазоров между дисками валков обеспечивает получение переработанной почвы стабильного фракционного состава.
Пример конкретного выполнения
В качестве опытного образца для подтверждения технической возможности его реализации, а также подтверждения возможности достижения технического результата изготовлен агрегат, предназначенный для измельчения породы при проведении рекультивационных работ в полевых условиях.
Изготовленный образец содержит корпус, состоящий из двух боковых стенок, изготовленных из стального листа 12 мм, соединенных стальным клином и жесткими профилями. Расстояние между боковыми стенками составляет 1,2 м. В стенках выполнены симметричные отверстия для монтажа осей катков и собранного блока валков. Клин с углом 35° имеет длину наклонной части 65 см. За клином закреплен блок, объединяющий 11 валков. Оси валков с обеих сторон вставлены в подшипники скольжения. На концах осей установлены звездочки цепных передач. Каждый валок был собран из 46 дисков диаметром 16 см. Между дисками были установлены проставки диаметром 6 см и длиной 24 мм. Диски и проставки были соединены между собой штифтами и закреплены на оси диаметром 4 см. В собранном блоке диски одних валков находились в зазорах между дисками смежных валков. Таким образом, зазор между двумя дисками составил 10 мм. Над блоком валков установлены четыре катка. Два передних катка диаметром 30 см имеют идентичную конструкцию. Катки выполнены полыми с толщиной стенки 8 мм. На поверхности катков приварены пластинки, выполняющие функцию грунтозацепов. Расстояние от переднего катка до поверхности валков составляет 14 см. Ось переднего катка расположена над задней кромкой клина. Расстояние между вторым катком и валками составляет 10 см. Третий и четвертый (задние) катки также имеют идентичную конструкцию. Задние катки собраны из 20 колес, установленных на одной оси диаметром 5 см. Колеса состоят из ободов диаметром 45 см и шириной 6 см, и втулок диаметром 6,5 см жестко закрепленных на оси. Обода с втулками соединены восемью цилиндрическими пружинами. Оси катков вставлены в подшипники скольжения. На концах осей установлены звездочки цепных передач. Расстояние от третьего катка до поверхности валков составляет 3 см, а расстояние от четвертого катка до поверхности валков составляет 1 см. Агрегат с трактором соединялся сцепным устройством, а его приводные механизмы были соединены с блоком отбора мощности трактора через карданный вал. Карданный вал через конические шестерни приводит во вращение валки, которые связаны между собой цепными передачами. На оси первого, ведущего валка, установлены цилиндрические шестерни, передающие вращение цепной передачей переднему катку, а от него и к последующим каткам. Перед началом работы передние колеса были подняты механическим подъемником на высоту, обеспечивающую возможность заглубления клина в почву на глубину в 15 см. При движении трактора клин срезал слой почвы, который по наклонной поверхности клина поднимался к первому катку, вращающемуся со скоростью 60 оборотов в минуту. Каток грунтозацепами продвигал почву на поверхность валков, вращающихся со скоростью 80 оборотов в минуту. При этом грунтозацепы разрушали крупные кусковые фракции. Попадая под следующий каток, почва уплотнялась, дробилась грунтозацепами и продавливалась через зазоры между дисками валков. Вращающиеся валки резали и продвигали почву к третьему и четвертому каткам. Катки уплотняли почву и продавливали ее через зазоры между дисками валков. После четвертого катка почва валками сбрасывалась на поверхность поля. При попадании камней почва продвигала их под колеса третьего и четвертого катков. При этом обод колеса поднимался, сжимая нижние пружины и растягивая верхние, обкатывал их, после чего восстанавливал первоначальную форму.