ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ПЛУГ
ENERGY-SAVING PLOW

Изобретение относится к области сельскохозяйственного машиностроения, а именно к машинам для отвальной вспашки почвы, и может быть применено в технологиях производства плугов для обработки почвы для выращивании урожая зерновых, пропашных, технических культур, трав, овощей и на уходе за посадками в садах и виноградниках по энергосберегающим технологиям.
Известны плуги, выполненные в виде разворачивающихся и штампованных лемешных отвальных поверхностей, и конструкции тракторных плугов различного назначения и классификации.
Эти рабочие органы плугов изложены в справочнике конструктора сельскохозяйственных машин, Машгиз, 1962 год, том 2, глава 1, стр.1-32, автор главы 2 д.т.н. Г.Н. Синеоков.
Наиболее близким решением является способ построения разворачивающейся рабочей поверхности плужного корпуса по двум направляющим параболам, параметры которых указаны в книге проф. М.В. Сабликова. Сельскохозяйственные машины (основы теории и технологического расчета), часть 2, Изд-во «Колос», М. - 1968, стр.21-29.
Известные конструкции отвальных плугов включают очерчивание профиля рабочей поверхности лемеха плуга по двум направляющим параболам, определяемым каноническим уравнением проф. Н.В. Щучкина, вида:
где Y и Х - координаты параболы, а само проектирование, изготовление и контроль лемешно-отвальной поверхности выполняют по двум направляющим параболам разной высоты, расположенных в параллельных плоскостях, перпендикулярных линии резания лемеха, установленного под углом к стенке борозды.
Недостатком известной рабочей поверхности и конструкции плуга является то, профиль направляющих парабол не оптимизирован по сопротивлению и требует больших дополнительных силовых нагрузок и затрат энергии на пахоту.
Задача изобретения - создание оптимизированной лемешно-отвальной поверхности и конструкции универсального энергосберегающего плуга по минимуму тягового сопротивления, времени и максимуму скорости схода почвенного пласта с рабочей поверхности для уменьшения силы тяги и снижения затрат энергии на отвальную обработку почвы.
min
max
min
min
min
max
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>4</mn><mi>R</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>cos</mi><mfrac><mi>α</mi><mn>2</mn></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>α</mi><mo>≤</mo><mfrac><mn>7</mn><mn>6</mn></mfrac><mi>π</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>≥</mo><mfrac><mn>7</mn><mn>6</mn></mfrac><mi>π</mi><mi>R</mi></mrow>
Эта задача достигается тем, что энергосберегающий плуг включает лемешно-овальную поверхность, изогнутую по двум таутохронно-брахистохронным направляющим циклоидам, длина которых превышает 4 радиуса окружности, производящей циклоиду, и равна L и L, определяемым уравнениями L,
, где α - углы поворота радиуса упомянутой окружности от вертикали соответственно α≥π и
, причем радиус R окружности, образующей циклоиду, равен  где  - ширина захвата лемеха, φ - угол между линией резания лемеха и стенкой борозды, при этом минимальная высота H отвала в плоскости установки меньшей циклоиды равна и превышает половину арки циклоиды H≥πR, а высота H отвала в плоскости установки большей циклоиды превышает
, причем угол ε между лемехом и дном борозды регулируется по линии стыка лемеха с отвалом, например, винтами и шайбами с последующей затяжкой.
Перечень фигур
На фиг.1 показана схема лемешно-отвальной поверхности, построенная по направляющим циклоидам.
На фиг.2 изображена первая (меньшая) направляющая циклоида АН′ в принятой системе координат высотой Am, углом ε установки лемеха к горизонту в трех положениях регулировки его плоскостей АК, 1 К, А′ К.
На фиг.3 изображена вторая (большая) направляющая циклоида AK m′H в системе координат высотой AmC, углом ε установки лемеха к горизонту в трех положениях плоскости его регулировки АК, 1 К, А′ К.
На фиг.4 показана схема лемешно-отвальной поверхности, образованной направляющими циклоидами с регулируемым углом наклона лемеха и положениях плоскости лемеха 1-2, k 2 в пределах 20÷65°.
На фиг.5 показана схема лемешно-отвальной поверхности с разными скоростями движения образующих n′n′ по направляющим циклоидам в секущих, перпендикулярных к линии резания лемеха плоскостях N′-N′ и С′-С′
<mrow><mfrac><mi>π</mi><mn>6</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mi>π</mi><mn>6</mn></mfrac></mrow>
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
8
Описание устройства. Лемешно-отвальная поверхность выполняется известными методами начертательной геометрии по ортогональным проекциям плоскостей, линий и точек проектируемых фигур, изображенных в одной плоскости чертежа. Устройство включают рабочие контуры отвала, регулируемый по углу входа в почву лемех, направляющие циклоиды, производящую окружность, описывающую концом радиуса циклоиду. На проекции I фиг.1 показана направляющая циклоида в системе координат Ox, Oy, высота полуарки циклоиды πR, углы производящей окружности отмечены через угол
в точках O, O, O, O, O, O, O, O. При качении производящей окружности по линии АВ через каждые
(30°) отмечены точки A, P, Р, P, P, P, P, P, P.
5
1
5
Радиусом R производящей окружности плавно по лекалу опишем через точки A, 2, 3, 4, 5, 6, 7 направляющую циклоиду. На проекции II дан контур циклоидальной лемешно-отвальной поверхности, вид сверху, образованной вертикальными секущими плоскостями, в следах которых находится первая (малая) N-N′ и вторая (большая) С-С′ направляющие циклоиды, фиг.1, проекция II. Точки циклоиды A, 2, 3, 4, 5, 6, 7, фиг.1, проекция I) переносим на вторую II (горизонтальную) и третью III (фронтальную) проекции перпендикулярными между собой секущими одноименным проектируемыми линиями. Одноименные точки A, 2, 3, 4, 5, 6, 7 на проекциях II и III с индексами образуют рабочий контур горизонтальной II и фронтальной III проекций лемешно-отвальной поверхности плуга. На фиг.1 горизонтальный контур (проекция II) обозначен буквами 1′, 2′, f′, e′, 7″ i i g d 1″ и фронтальный контур (проекция III) обозначен символами 1′″, 2′″, 3′″, 4′″, 5′″, 6′″ f, e, 7′″, i g′d′. На фиг.1 (проекция II) угол γ показывает возрастание изгиба верхнего контура отвала при изменении его высоты по мере удаления от плоскости N-N′, в которой находится первая направляющая циклоида. Угол Δ=2-3° (проекция III) равен отклонению полевого обреза от минимальной высоты отвала g′ m. На фиг.3 и 4 показаны параметры первой и второй циклоид Ak H′ .Ak m′ H с углами β, ε, высотой Am и АС в системе декартовых координат. Регулируемый угол ε установки лемеха ко дну борозды в пределах угла β показан на фиг.4, проекция I. На фиг.5 показана вертикальная проекция контура лемешно-отвальной поверхности энергосберегающего плуга, построенная по двум направляющим циклоидам с разной скорость перемещения образующих n′ n′ по секущим плоскостям N′-N′ и С′-С′, на расстоянии ef и dh, проходящем через регулируемый угол ε по линии kk стыка лемеха с циклоидальным отвалом плуга.
min
max
min
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>4</mn><mi>R</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>cos</mi><mfrac><mi>α</mi><mn>2</mn></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Энергосберегающий плуг включает лемешно-отвальную поверхность, изогнутую по двум таутохронно-брахистохронным направляющим циклоидам, длина которых превышает 4 радиуса окружности, производящей циклоиду, и равна L и L, определяемым уравнениями L,
,
<mrow><mi>α</mi><mo>≤</mo><mfrac><mn>7</mn><mn>6</mn></mfrac><mi>π</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>≥</mo><mfrac><mn>7</mn><mn>6</mn></mfrac><mi>π</mi><mi>R</mi></mrow>
min
min
max
где α - углы поворота радиуса упомянутой окружности от вертикали соответственно α≥π и
, причем радиус R окружности, образующей циклоиду, равен  где  - ширина захвата лемеха, φ - угол между линией резания лемеха и стенкой борозды, при этом минимальная высота H отвала в плоскости установки меньшей циклоиды равна и превышает половину арки циклоиды H≥πR, а высота H отвала в плоскости установки большей циклоиды превышает
, причем угол ε между лемехом и дном борозды регулируется по линии стыка лемеха с отвалом, например, винтами и шайбами с последующей затяжкой
Построение лемешно-отвальной поверхности и работа циклоидального энергосберегающего плуга.
1. По углу φ постановки лемеха к боковой стенке борозды, принятой ширине l захвата лемеха определяем радиус R окружности, образующей циклоиду:
2. Определяем минимальную и максимальную длину линий L двух циклоид по уравнениям с углами поворота производящей окружность до 90° и 210°:
min
3. Определяем минимальную H высоту отвала и первой (меньшей) циклоиды:
min
H≥πR,
max
4. Определяем максимальную H высоту отвала и второй (большей) циклоиды:
max
<mrow><mfrac><mi>π</mi><mn>6</mn></mfrac><mi>R</mi></mrow>
<mrow><mfrac><mi>π</mi><mn>6</mn></mfrac></mrow>
5. На вертикальной оси системы координат Ox строим направляющую циклоиду заданным радиусом R катящейся окружности снизу вверх (по глубине обрабатываемого пласта) путем деления высоты H развертки окружности на равные отрезки дуг с интервалом делений, равных
. При этом используем возрастание угла на
поворота окружности в радианах.
6. Делаем отметки через 30′ на вертикальной оси Ox системы координат, по которой движется центр катящейся окружности, и проводим ее радиусы с углами к вертикальной оси - 0, 30°, 60°, 90°, 120°, 150°, 180°, 210°.
7. Соединяем перемещающие концы радиусов R производящей окружности, повернутые на соответствующие углы плавной кривой, которая будет направляющей циклоидой.
8. Проектируем фиксированные точки циклоиды на фронтальную и горизонтальную проекции, получаем необходимую лемешно-отвальную поверхность энергосберегающего плуга.
9. Аналогично строим по правилам начертательной геометрии направляющие линии смещенных относительно друг друга циклоид для получения других циклоидальных форм отвалов.
10. Все остальные развертывающиеся циклоидальные лемешно-отвальные поверхности для всех типов отвалов и плугов выполняют подобным образом, располагая известными методами начертательной геометрии по ортогональным проекциям плоскостей, линий и точек проектируемых фигур, изображенных в одной плоскости чертежа.
Процесс обработки почвы циклоидальными энергосберегающими универсальными плугами с предлагаемыми лемешно-отвальными поверхностями не отличается от традиционной вспашки серийными плугами с параболическими отвалами. Дополнительным требованием является необходимость возможной регулировки угла ε наклона лемеха к плоскости дна борозды на каждом корпусе отвального плуга. При движении лемех заглубляется в почву. По мере заглубления плужного корпуса почва поднимается вверх по циклоидальной траектории, по которой выгнут отвал.
<mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><mi>R</mi><mi>arccos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>R</mi><mo>−</mo><mi>y</mi></mrow><mi>R</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>±</mo><msqrt><mi>y</mi></msqrt><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>R</mi><mo>−</mo><mi>Y</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo></mrow>
Причем длина линии контура рабочей поверхности превышает половину арки циклоиды. Такое конструктивное и технологическое решение позволяет снизить затраты на обработку почвы путем оптимизации контуров рабочих поверхностей. Циклоида является по времени таутохронной и по скорости - брахистохроной, т.е. кривой второго порядка, и описывается известным уравнением с координатами
Она является линией наименьшего времени движения частицы по ее поверхности. При этом скорость движения является максимальной, а время движения частицы в обоих направлениях одинаково и минимально по сравнению с временем движения по другим кривым линиям, в том числе и направляющей параболе, применяемой в серийных плугах.
Затраты мощности равны N=FV, где F - сила тяги; V - скорость движения плуга. В этой связи движение почвы по циклоидальному профилю оптимизирует силу тяги уменьшает затраты энергии на обработку пласта плугами такой конструкции. Предлагаемый способ построения циклоидальной лемешно-отвальной поверхности оптимального профиля составляет конструктивную основу и новизну циклоидального энергосберегающего плуга. Этим достигается задача изобретения.