РАБОЧИЙ ОРГАН ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ МАШИНЫ Российский патент 1994 года по МПК A01B33/12 

Изобретение относится к области сельскохозяйственного машиностроения, в частности к почвообрабатывающим машинам, имеющим принудительный привод рабочих органов, вращающихся вокруг вертикальной оси.

Известна почвообрабатывающая машина с вращающимися вокруг вертикальной оси роторами (патент Великобритании N 15520135, кл. A 01 B 33/08, 1978). Она состоит из редуктора-рамы, внутри которого установлен блок приводимых шестерень. На их вертикальных осях смонтированы горизонтальные ножедержатели, на краях которых установлены наклонные к оси вращения ножи с увеличением сверху вниз расстояния от оси вращения до ножа. Такая конструкция машины исключает заклинивание ножедержателей, так как их траектории не пересекаются, способствует повышению надежности машины и уменьшению металлоемкости.

Недостатком такой машины является ее высокая энергоемкость из-за прямого лобового удара передней кромкой о почву и процесса вырезания стружки почвы из монолита, что является энергоемче процесса отрезания стружки от монолита.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является почвообрабатывающая машина (патент Франции N 2522461, кл. A 01 B 33/02, 1983). Она включает в себя редуктор-раму, на вертикальных осях которого смонтированы горизонтальные ножедержатели, на краях которых установлены ножи. Каждый нож наклонен к оси вращения с увеличением сверху вниз расстояния от оси вращения до ножа. При этом в нижней части нож имеет отгиб вперед относительно направления вращения ротора. Такая конструкция ножа позволяет резать почву более плавно в сравнении с лобовым резанием, производимым ножом, наклонным только к оси вращения, с увеличением сверху вниз расстояния от оси вращения до ножа. Это устройство и выбрано прототипом изобретения, поскольку наиболее близко к нему по своей технической сущности.

Недостатком такого устройства является то, что энергоемкость процесса резания почвы высокая. Большая энергоемкость процесса резания почвы таким ножом вызвана тем, что в верхней части происходит то же прямое лобовое вырезание стружки почвы из монолита почвы, а в нижней части происходит уже более полное резание (со скольжением), но по сложной кривой, что требует значительных энергозатрат.

Целью изобретения является уменьшение усилий резания почвы путем изготовления ножа изогнутым передним (нижним) концом вперед и от центра по ходу движения.

Указанная цель достигается тем, что на роторе почвообрабатывающей машины с принудительным приводом рабочих органов вокруг вертикальной оси, состоящем из ножедержателя и ножа в виде пластины с передней заточкой, режущая кромка ножа изготовлена по винтовой кривой с постоянным углом подъема, расположенной на конической поверхности с вершиной конуса, обращенной вверх, и передним нижним изогнутым концом направлена вперед в направлении вращения ротора, а затылочная (наружная) грань ножа повернута относительно перпендикуляра к радиусу вращения до центра на угол 15^о< ϕ <45^о.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что конструктивно предлагаемое техническое решение ново: режущая кромка ножа изготовлена по винтовой кривой с постоянным углом подъема, расположенной на конической поверхности с вершиной конуса, обращенной вверх, и передним нижним изогнутым концом направлена вперед в направлении вращения ротора, а затылочная (наружная) грань ножа повернута относительно перпендикуляра к радиусу вращения до центра на угол 15^о< ϕ <45^о. Это отличие является существенным, так как оно способствует уменьшению усилий резания почвы, чего невозможно достигнуть в работе его аналогов.

Поиск аналогов устройств, у которых ножи с вертикальной осью вращения изготовлены передним нижним концом вперед по ходу движения и расположены на конической поверхности с вершиной конуса, обращенной вверх, их не выявил. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "Новизна" и вывод о соответствии заявляемого решения критерию "Существенные отличия" является достоверным.

На фиг. 1 представлена почвообрабатывающая машина, общий вид; на фиг. 2-5 - ротор почвообрабатывающей машины; на фиг. 6 - схема ротора в аксонометрической проекции; на фиг. 7 - схема работы режущей кромки ножа почвообрабатывающей машины; на фиг. 8 - схема к определению зон затирания наружной кромкой ножа о необработанный монолит пласта почвы; на фиг. 9 - схема к определению максимального угла между абсолютной и окружной скоростями ножа с вертикальной осью вращения при отрезании пласта от монолита почвы.

Почвообрабатывающая машина (фиг. 1) содержит навесное устройство 1, верхний редуктор 2, основной редуктор 3, посредством которого через блок горизонтально установленных в нем шестерен 4 приводятся во вращение приводные валы 5. На валах 5 посажены горизонтально расположенные ножедержатели 6, на концах которых установлены ножи 7 вращающиеся вокруг вертикальной оси.

Агрегатирование почвообрабатывающей машины с трактором происходит при помощи навесного устройства 1. Мощность трактора через вал отбора мощности (ВОМ) передается на верхний редуктор 2 машины посредством карданной передачи (фиг. 1). Далее через коническую пару верхнего редуктора 2 вращение передается на блок горизонтально установленных и находящихся в постоянном зацеплении шестерен 4 основного редуктора 3. Каждая из указанных шестерен 4 приводит во вращательное движение вертикальные приводные валы 5, на концах которых горизонтально установлены ножедержатели 6. На концах ножедержателей 6 установлены ножи 7. Вращение ротора (ножедержатель 6 и ножи 7) на почвообрабатывающей машине (фиг. 2, 3, 4, 5, 6) происходит вокруг вертикальной оси О-О. Обозначения на рисунках приняты следующие: V - поступательная скорость машины; ω - угловая скорость вращения ротора; γ - угол подъема образующей режущей кромки ножа; β - угол (тупой) отрезания стружки от монолита; Н - высота (по вертикали) режущей кромки ножа. Нож 7 выполнен таким образом, что его режущая кромка изготовлена по винтовой кривой с постоянным углом подъема, расположенной на конической поверхности с вершиной конуса, обращенной вверх, и передним нижним изогнутым концом направлена вперед в направлении вращения ротора, а затылочная (наружная) грань ножа повернута относительно перпендикуляра к радиусу вращения до центра на угол 15^о< ϕ<45^о.

Работа предложенного ножа на почвообрабатывающей машине схематически представлена на фиг. 7 и 8 и происходит следующим образом. В исходном положении (фиг. 7) режущая кромка ножа занимает положение 1-1_в^I (а). В плоскости, параллельной направлению поступательного движения (перпендикулярной поверхности поля) и проходящей через ось вращения ротора - о (в дальнейшем именуемой вертикальной плоскостью), режущая кромка ножа находится только своей нижней точкой - 1^II (с). В дальнейшем при повороте режущейкромки ножа на угол α/4 , где α - угол раствора ножа, угол в плане (вид сверху) между радиусами; проведенными через ось вращения О-О, верхнюю (1) и нижнюю (1_г^I) точки режущей кромки ножа (рис. 7_б^I), она смещается в направлении поступательного движения - V и занимает положение: 2^I - 2_г^II - 2 - то есть смещается в направлении поступательного движения на расстояние l₁=L/4, где L - общее смещение в направлении поступательного движения верхней точки отрезаемой стружки почвы по отношению к нижней и занимает положение 2^I -2_в^II - 2, при котором режущая кромка ножа проходит через указанную вертикальную плоскость в точке 2_в^II на высоте h₁= H/4 от нижней точки режущей кромки ножа. Точкой пересечения вертикальной плоскости режущей кромкой ножа будет т. 2^II (порядок определения этой точки указан на рисунке тонкими линиями со стрелками, которые выходят из точек 2_в^II и 2_г^II).

При дальнейшем повороте режущей кромки ножа поэтапно на угол
2; 3 и 4=α она аналогично изложенному будет смещаться в направлении поступательного движения на расстояние 2l₁, 3l₁ и 4l₁=L (c), а режущая кромка ножа будет проходить через указанную плоскость в точках 3_в^II, 4_в^II и 5_в на высоте 2h, 3h и 4h=H (a). Точками пересечения интересующей нас плоскости (с) режущей кромкой ножа будут точки 3^II, 4^II и 5 (с аналогичным выше указанным построением).

Соединяя между собой точки (1^II - 2^II - 3^II - 4^II -5) прохождения режущей кромки ножа через монолит пласта определяем траекторию движения (прямая наклонная линия) рассматриваемой режущей кромки ножа в интересующей нас вертикальной плоскости. Пласт при этом определяется по указанной наклонной линии 1^II - 5 (с), т.е. он не вырезается, не выдалбливается из монолита (как у прототипа), что является энергоемким процессом, а отрезается при плавном вхождении ножа в монолит и наклонном отрезании стружки (с тупым углом β - углом между горизонтальной линией дна обработанного пласта и линией отрезания пласта от монолита). При таком отрезании пласта от монолита усилие резания, как известно, уменьшается на 20-25% (А.С.Буряков и др. Щелевание почвы наклонными стойками. М. - Земледелие, 1987, N 2, с. 32-35).

При движении ножа в почве имеет значение и правильное расположение затылочной (наружной) грани ножа. На фиг. 8 видно, что при расположении ножа перпендикулярно радиусу вращения (на рисунке контуры ножа представлены штриховыми линиями) и при его движении по сложной траектории, образованной от одновременного поступательного и вращательного движения, происходит затирание (внимание) затылочной грани ножа в необработанный пласт. Это естественно резко увеличивает энергоемкость процесса обработки почвы. Для того, чтобы этого не происходило, необходимо повернуть затылочную грань ножа относительно перпендикуляра к радиусу вращения до центра на некоторый угол ϕ .

Как видно на фиг. 9 угол ϕ между направлением абсолютной скорости ножа - V_a (которая и образует траекторию движения ножа) и направлением окружной скорости - V_о имеет максимальную величину ϕ'_max, при направлении последней строго перпендикулярно направлению поступательной скорости - V_n. Поворот затылочной кромки ножа относительно перпендикуляра к радиусу вращения на угол ϕ'_max позволяет располагаться его наружной кромке параллельно направлению абсолютной скорости - V_a(т.е. практически параллельно траектории движения). Угол ϕ'_max равен:
V_n=V_o ˙tgϕ'_max, или ϕ'_max=arctg
При работе машин указанного типа, как известно, при малых поступательных скоростях (0,5-1,2 м/с) окружная скорость составляет 3-6 м/с, а при больших поступательных скоростях (1,2-2,5 м/c) окружная скорость находится в пределах 6-12 м/с. Отсюда искомый угол ϕ'_max равен 6-23^о.

Учитывая, что траектория движения ножа (режущей кромки) на всем протяжении относительно центра вращения является вогнутой линией с меняющейся кривизной (фиг. 8), то и угол ϕ должен быть на 10-20^обольше, чем угол ϕ'_max (чтобы не было частичного затирания задней частью наружной грани ножа о монолит почвы). Следовательно, для работы ножа без затирания о монолит почвы (без непроизводительных затрат) его затылочная (наружная) грань должна быть повернута относительно перпендикуляра к радиусу вращения до центра на угол: 15^о< ϕ <45^о.

Для почвообрабатывающей машины с принудительным приводом рабочих органов вокруг вертикальной оси при работе на средних по механическому составу почвах и глубине обработки 10-15 см основные параметры ножа (фиг. 4 - увеличенный вид ножа в ножедержателе на фиг. 3) будут следующими: ширина ножа B= 40-70 мм, толщина ножа b=15-25 мм и угол заточки лезвия ножа ε = 25-50^о.

Применение предлагаемого конструктивного решения в почвообрабатывающей машине позволит в сравнении с прототипом значительно уменьшить энергоемкость обработки почвы. Наряду с этим, такая форма ножа будет способствовать самоочищению рабочего органа, что становится возможным за счет подъема сорняков, расположенных на режущей кромке ножа, из нижних слоев в верхние. При постоянном подпоре этих сорняков встречным обрабатываемым пластом они (сорняки) будут подыматься по указанной режущей кромке ножа (изготовленной по винтовой кривой с постоянным углом подъема и расположенной на конической поверхности с вершиной конуса, обращенной вверх) из нижних слоев в верхние, что и приведет к самоочищению рабочей части ножа, к очистке от сорняков всего рабочего органа. Все это (уменьшение усилий резания почвы, улучшение самоочистки рабочего органа) позволит на 20-25% повысить производительность труда, уменьшить расход топлива.

Использование: фрезерование почв. Сущность изобретения: рабочий орган почвообрабатывающей машины включает в себя вращающиеся вокруг вертикальной оси ножедержатель и ножи. Режущая кромка ножа изготовлена по винтовой кривой с постоянным углом подъема, расположенной на конической поверхности с вершиной конуса, обращенной вниз, и передним нижним изогнутым концом направлена вперед в направлении вращения ротора ω , а затылочная грань ножа повернута относительно перпендикуляра к радиусу вращения до центра на угол, больший 15°, но меньший 45°. Такое конструктивное выполнение ножа и его установка в ножедержателе позволит уменьшить усилие резания почвы. 9 ил.

РАБОЧИЙ ОРГАН ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ МАШИНЫ, имеющий принудительный привод во вращение вокруг вертикальной оси и содержащий ножедержатель и нож в виде направленной сверху вниз пластины с передней режущей кромкой, отличающийся тем, что режущая кромка ножа направлена по имеющей постоянный угол подъема винтовой линии, расположенной на конической поверхности с вершиной конуса, обращенной вверх, при этом нижний конец указанной режущей кромки смещен вперед относительно ее верхнего конца по направлению вращения рабочего органа, а задний угол резания ножа имеет величину, большую 15^o, но меньшую 45^o.