ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕЕ ОРУДИЕ

Полезная модель относится к сельскохозяйственному машиностроению, в частности к орудиям для поверхностной (минимальной) обработки почвы.
Известно почвообрабатывающее орудие, содержащее одну пару последовательно установленных на поперечных осях вращающихся рыхлителей, выполненных в виде ленточных спиралей с противоположным направлением навивки, причем оси рыхлителей кинематически связаны между собой, а диаметр и шаг спирали первого рыхлителя соответственно равны диаметру и шагу спирали второго рыхлителя [1].
Также известен ротационный рыхлитель, включающий вал с установленным на нем спирально-пластинчатым рабочим органом с заточкой и радиальными упорами, осевое крепление с торцовыми фланцами, кольца для ограничения заглубления рабочего органа [2].
Недостатками данных технических решений являются плохое качество обработки верхнего слоя почвы, значительная энергоемкость процесса рыхления, причем предлагаемые рабочие органы с такой гладкой режущей кромкой не способствуют устойчивому их движению (сцеплению с почвой).
Известно почвообрабатывающее орудие, содержащее раму, на которой последовательно установлены ротационные рыхлители, каждый из которых выполнен в виде расположенного перпендикулярно направлению движения вала с закрепленным на его концах посредством фланцев спирально-пластинчатым рабочим органом. При этом валы связаны между собой цепной передачей и имеют средства для ограничения заглубления рабочих органов, причем передняя кромка каждого рабочего органа имеет треугольные зубья, а также орудие содержит радиально установленные на фланце упругие элементы [3].
Недостатками вышеуказанного почвообрабатывающего орудия являются низкое качество обработки почвы из-за быстрого износа и поломки зубьев треугольной формы, а также наличие гладкой геометрической формы рабочей поверхности пластинчатых пружин не способствуют качественному крошению верхнего слоя почвы.
Также известно почвообрабатывающее орудие, содержащее раму, на которой последовательно установлены ротационные рыхлители, каждый из которых выполнен в виде расположенного перпендикулярно направлению движения вала с закрепленными на его концах посредством упругих элементов, радиально установленных на фланце, спирально-пластинчатым рабочим органом с зубьями, передняя кромка которых выполнена по участку логарифмической спирали. При этом валы связаны между собой цепной передачей и имеют средства для ограничения заглубления рабочих органов, причем рабочая поверхность спирально-пластинчатого рабочего органа выполнена рифленой (волнистой) в виде поверхности турбодисков, при этом режущая кромка рабочего органа имеет волнистый контур, проходящий по винтовой линии, а рабочая поверхность в зоне ее вершины - образующую, копирующую волнистый контур режущей кромки, причем форма рабочей поверхности пластинчатого органа образована движением прямой по вышеуказанным волнистым кривым [4].
Недостатками данного почвообрабатывающего орудия являются сложность выполнения (изготовления) криволинейной (волнистой) конструкции рабочей поверхности пластинчатого органа, а также значительная энергоемкость процесса рыхления из-за несоблюдения агротехнических условий при разборке его рабочей поверхности.
Задачей полезной модели является повышение качества обработки почвы, снижение энергоемкости процесса рыхления и упрощение конструкции. Уровень техники - повышение качества обработки почвы за счет интенсивного крошения почвы по всей поверхности спирально-пластинчатого рабочего органа, снижение энергоемкости процесса рыхления за счет воздействия оригинальных зубьев режущей кромки с почвой и упрощение конструкции.
Указанный уровень техники (технический результат) достигается тем, что почвообрабатывающее орудие, содержащее раму, на которой последовательно установлены ротационные рыхлители, каждый из которых выполнен в виде расположенного перпендикулярно направлению движения вала со спирально-пластинчатым рабочим органом, закрепленным на концах вала посредством радиально установленных на фланце упругих элементов, при этом спирально-пластинчатый рабочий орган имеет рабочую поверхность с рифами, режущую кромку и зубья, причем передняя кромка зубьев выполнена по участку логарифмической спирали, при этом валы связаны между собой цепной передачей и имеют средства для ограничения заглубления рабочих органов, согласно предполагаемой полезной модели каждый риф рабочей поверхности спирально-пластинчатого рабочего органа выполнен в виде радиального выступа треугольной формы, причем режущая кромка рабочего органа имеет зигзаг-образный (пилообразный) контур, образованный сопряженными ломаными линиями, проходящий по прилегающей периферии винтовой линии и расположенный перпендикулярно направлению движения вала. Кроме того, рабочая поверхность в зоне ее вершины - ближе к валу рыхлителя, имеет образующую, расположенную в вертикальной плоскости к продольной оси вала и копирующую зигзаг-образный контур режущей кромки. Форма рабочей поверхности пластинчатого органа образуется движением прямой по зигзаг-образным (ломаным) сопряженным прямым линиям: с одним концом прямой по контуру режущей кромки, а с другим концом - по образующей, расположенной в зоне ее вершины. При этом каждый риф (выступ) рабочей поверхности спирально-пластинчатого органа имеет свою рабочую поверхность, расположенной под углом скольжения и выполнена в виде поверхности простого двугранного клина, высота которого определяется по формуле:
,
в
где h - высота каждого выступа (рифа), равная максимальной высоте клина;
R - радиус спирально-пластинчатого рабочего органа;
φ - центральный угол между носками соседних (смежных) зубьев;
α -угол скольжения (крошения) почвы
Диаметр спирально-пластинчатого рабочего органа определяется по зависимости:
,
a
где  - глубина обработки почвы (или глубина хода рабочего органа);
з
Z - количество зубьев на поперечном сечении рабочего органа.
Количество зубьев на поперечном сечении спирально-пластинчатого рабочего органа определяется из выражения:
,
где φ′ - угол подъема винтовой линии (поверхности).
Ширина у вершины зуба определяется по формуле:
.
Режущая кромка спирально-пластинчатого рабочего органа по зигзаг-образному контуру выполнена зубчатой, причем передняя кромка каждого зуба описывается уравнением:
0
i
0
где ρ - начальный радиус-вектор; θ - текущий полярный угол; φ - угол внутреннего трения почвы; e - основание натурального логарифма, при этом длина тыльной кромки каждого зуба находится из зависимости:
T
l=c′-r,
где c′ - глубина выреза [5, 8]; r - радиус округления (сопряжения) кривой и прямой линии у вершины выреза зуба.
На фиг.1 изображено предложенное орудие, вид сверху; на фиг.2 показана схема построения рабочей поверхности спирально-пластинчатого органа (вид А на фиг.1); на фиг.3 - схема построения зубчатой режущей кромки спирально-пластинчатого органа (разрез Б-Б на фиг.1).
Почвообрабатывающее орудие содержит раму 1, на которой последовательно установлены ротационные рыхлители. Каждый рыхлитель представляет собой установленный перпендикулярно направлению движения орудия вал 2, 3, на котором закреплен спирально-пластинчатый рабочий орган 4, 5 (на фиг.1) с зубьями 6, передняя кромка 7 которых выполнена по участку логарифмической спирали, а тыльная кромка 8 - прямолинейной (на фиг.3). Направление навивки спирали на валах противоположное. На концевых частях валов 2, 3 установлены фланцы 9 с упругими элементами 10 и ограничители заглубления 11 рабочих органов 4, 5. Валы 2, 3 соединены между собой цепной передачей 12. Цепь закрыта кожухом 13.
Каждый риф 14 (на фиг.2) рабочей поверхности спирально-пластинчатого рабочего органа 4, 5 выполнен в виде радиального выступа треугольной формы, причем режущая кромка рабочего органа 4, 5 имеет зигзаг-образный (пилообразный) контур 15, образованный сопряженными ломаными линиями 16, 17, проходящий по винтовой линии и расположенный перпендикулярно направлению движения вала 2, 3. Кроме того, рабочая поверхность в зоне ее вершины - ближе к валу рыхлителя, имеет образующую 18, расположенную в вертикальной плоскости к продольной оси вала 2, 3 и копирующую зигзаг-образный контур 15 режущей кромки. Форма рабочей поверхности пластинчатого органа 4, 5 образуется движением прямой 19 по зигзаг-образным (ломаным) сопряженным прямым линиям: с одним концом прямой 19 по контуру 15 режущей кромки, а с другим концом - по образующей 18, расположенной в зоне ее вершины. Такое выполнение рабочей поверхности пластинчатого органа 4, 5 упрощает его конструкцию по сравнению с волнистой поверхностью, следовательно, оно облегчает процесс изготовления.
Кроме того, каждый риф (выступ) 14 рабочей поверхности спирально-пластинчатого органа 4, 5 имеет свою рабочую поверхность 20, расположенной под углом скольжения α и выполнена в виде поверхности простого двугранного клина, высота которого определяется по формуле:
,
в
где h - высота каждого выступа (рифа), равная максимальной высоте клина; R - радиус спирально-пластинчатого рабочего органа; φ - центральный угол между носками соседних (смежных) зубьев; α - угол скольжения (крошения) почвы.
Диаметр спирально-пластинчатого рабочего органа 4, 5 определяется по зависимости:
,
a
где  - глубина обработки почвы (или глубина хода рабочего органа);
з
Z - количество зубьев на поперечном сечении рабочего органа.
Количество зубьев 6 на поперечном сечении спирально-пластинчатого рабочего органа 4, 5 определяется из выражения:
,
где φ′ - угол подъема винтовой линии (поверхности).
Ширина у вершины зуба 6 определяется как
.
Режущая кромка спирально-пластинчатого рабочего органа 4, 5 по зигзаг-образному контуру 15 выполнена зубчатой, причем передняя режущая кромка 7 каждого зуба 6 описывается уравнением [9]:
,
0
a
где  - начальный радиус-вектор;  - угол, определяющий логарифмическую часть профиля передней режущей кромки; φ - угол внутреннего трения почвы; φ - угол трения почвы по стали;  - глубина хода рабочего органа (или глубина обработки почвы);
i
θ - текущий полярный угол; e - основание натурального логарифма,
при этом длина тыльной кромки 8 каждого зуба 6 находится из зависимости:
T
l=c′-r,
где c′ - глубина выреза, r - радиус округления (сопряжения кривой и прямой линии) у вершины выреза зуба.
Для построения проекции передней режущей кромки 7 и тыльной кромки 8 зуба 6 в плане, также для их обоснования и определения сделаем дополнительные построения (фиг.3).
3
Для этого сначала через точку A′ проводим касательную T′-T′ и через точку T линию 2-2 параллельно оси ОХ. Положение точек A′ и T определяется величиной высоты (глубины) выреза (c′). Затем через точку B′ (носок зуба) под углом  из условия нормального схода почвы и сорняков с зуба (рабочего органа) и с учетом условия резания почвы со скольжением и скалыванием, к оси OZ проводим линию 3-3 до пересечения с линией 2-2. Далее от точки пересечения H проводим перпендикуляр 4-4 к оси ОХ. Здесь точка H показывает вершину зуба 6, а точка A′ ее пятку и одновременно начало (проекцию носка) следующего зуба. Положение точек O и G определяется величиной радиуса округления (сопряжения кривой и прямой линии) у вершины выреза зуба (r), а линия GA′ является искомой величиной длины тыльной режущей кромки 8 зуба 6, которая определяется из выражения:
где c′ - глубина выреза
Здесь количество зубьев на поперечном сечении рабочего элемента можно определить из полученного нами выражения:
Величина радиуса округления (сопряжения) - r выбирается из условия гарантированного перемещения обрабатываемой среды со скольжением без сгруживания и заклинивания (защемления) между зубьями 6 относительно рабочей поверхности спирально-пластинчатого элемента 4, 5 при различных режимах работы почвообрабатывающего орудия.
Следующую искомую величину - длину криволинейного участка передней режущей кромки 7 зуба 6, равной участкам B′E,  можно получить по значению текущего радиус-вектора?», который определяется по известному выражению:
где
0
φ - угол внутреннего трения почвы; φ - угол трения почвы по стали;
а
- глубина хода рабочего органа (или глубина обработки почвы);
i
θ - текущий полярный угол; - основание натурального логарифма.
Здесь минимальный угол  выбирается из условия установки зуба 6 к дну борозды, который равен углу ∠KB′C между касательной B′K и отрезком B′C (параллельно к оси OX)
0
Однако на практике значение угла трения φ не является постоянным и меняется в широких пределах в зависимости от типа почв, их влажности, засоренности, физико-механических свойств, а также от скорости взаимодействия с обрабатываемой средой. При этом минимальное значение угла трения, для различного типа почв находится в пределах 14°…22°, а величина  - в пределах 6,0°…10,5°.
0
Учитывая вышеуказанные предпосылки и подставляя численные значения величин φ и  в формулу - (4) получим: θ=90°-(14+6)=70°.
После чего по формуле (5) определяем начальный радиус-вектор:
.
Как известно, величина глубины выреза, для нашего случая также примерно равна 3 см, т.е. c′=33/12=2,75≈3 см.
0
Поэтому вычисленный начальный радиус-вектор ρ откладываем от точки A′ по оси OZ, а конец его является полюсом T данной логарифмической спирали. Здесь острый угол  равен углу θ.
Далее этот угол θ делим лучами на части и определив значения текущих радиус-векторов по выражению (3), полученные значения откладываем от полюса T на соответствующих лучах и концы их соединяем плавной кривой.
Полученная форма режущей кромки зуба спирально-пластинчатого рабочего органа, выполненная по логарифмической спирали, вполне отвечает требованиям на работу рабочего элемента с пассивным (реактивным) вращением.
Почвообрабатывающее орудие работает следующим образом:
При движении почвообрабатывающего орудия по обрабатываемой площади спирально-пластинчатые рабочие органы 4, 5 вращаются от сцепления их режущей кромки и подрезают пласт почвы передней режущей кромкой 7 зубьев 6, выполненной по участку логарифмической спирали, обращенной выпуклостью в сторону направления движения. При этом происходит скользящее резание и деформация обрабатываемого материала с наименьшим сопротивлением. Также под действием зубьев 6 пластинчатые органы 4, 5 разбивают крупные комья почвы и перемешивают ее верхний слой, равномерно распределяя его по ширине захвата с минимальной энергоемкостью процесса рыхления. Далее частично разрыхленная почва поступает на рифленую рабочую поверхность, выполненной в виде радиальных выступов треугольной формы. После чего пласт почвы, перемещаясь через каждый риф (выступ) 14, имеющий свою рабочую поверхность 20, расположенной под углом скольжения а и выполненной в виде поверхности простого двугранного клина, подвергается интенсивному крошению без увеличения тягового сопротивления орудия.
а
Такое конструктивное выполнение рабочей поверхности ротационного органа 4, 5 способствует увеличению ее рабочей длины, следовательно, и время контакта ее с обрабатываемой средой, что обусловливает снижение абсолютной скорости (сообщаемой почвенной массе) рабочей поверхности за счет резкого уменьшения зоны схода почвы каждого рифа (выступа) 14. Кроме того, такое исполнение рабочей поверхности пластинчатого органа 4, 5 влияет на форму его режущей кромки, где зубья 6 размещены в двух направлениях, соответственно, они отклонены вправо и влево под углом  относительно винтовой линии, что увеличивает их ширину зоны воздействия (обрабатываемой зоны).
Использование заявленного почвообрабатывающего орудия позволяет повысить качество обработки почвы, снизить энергоемкость процесса рыхления и упростить конструкцию спирально-пластинчатых рабочих органов.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Гайнанов Х.С. Почвообрабатывающее орудие / Х.С. Гайнанов, Е.В. Ермолко, Н.Г. Энвальд, Ш.Р. Галиуллин, Г.Г. Юнусов // А.С. №1021354. - Опубл. В Б.Н., 1983, №21.
2. Гайнанов Х.С. Ротационный рыхлитель / Х.С. Гайнанов, Е.В. Ермолко, Ш.Р. Галиуллин, Н.Г. Энвальд // А.С. №938766. - Опубл. В Б.Н., 1982, №24.
3. Гайнанов Х.С. Почвообрабатывающее орудие / Х.С. Гайнанов, Г.Г. Булгариев // А.С. №1526590. - Опубл. В Б.Н., 1989, №45.
4. Юнусов Р.Г. Почвообрабатывающее орудие / Р.Г. Юнусов, Г.В. Пикмуллин, Г.Г. Булгариев // Патент РФ на изобретение №2395183, Панентообладатель ФГОУ ВПО «Казанский ГАУ». - Опубл. В Б.Н., 2010, №21.
5. Босой Е.С. Теория, конструкция и расчет сельскохозяйственных машин: Учебник для вузов с.-х. машиностроения / Е.С. Босой, О.В. Верняев, И.И. Смирнов, Е.Г. Султан-Шах // - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1977-568 с.
6. Булгариев Г.Г. Разработка и обоснование параметров рабочих органов машины для поверхностной обработки почвы. Автореф. дис. к.т.н.: 05.20.01 / Г.Г. Булгариев // - Казань, 1997 - 24 с.
7. Желиговский В.А. Элементы теории почвообрабатывающих машин и механической технологии с.-х. материалов / В.А. Желиговский // - Тбилиси.: Изд. Грузинского СХИ, 1960 - 146 с.
8. Синеоков Г.Н. Теория и расчет почвообрабатывающих машин / Т.Н. Синеоков, И.М. Панков // - М.: Машиностроение, 1977 - 328 с.
9. Юнусов Р.Г. Проектирование формы зуба режущей кромки спирально-пластинчатого рабочего органа / Р.Г. Юнусов, Г.Г. Булгариев // Перспективные технологии и технические средства в АПК: Материалы международной научно-практической конференции. - Казань: Издательство Казан. ГАУ, 2013. - С.197…200.