РОТАЦИОННЫЙ РАБОЧИЙ ОРГАН Российский патент 2003 года по МПК A01B21/08 A01B23/06 

Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, в частности к дисковым почвообрабатывающим орудиям.

Известно устройство для предпосевной подготовки почвы, содержащее установленную с возможностью изменения угла ось с диском (см. авторское свидетельство СССР 1678221, 5 А 01 В 29/04, 1989).

Недостатком известного устройства является наличие дополнительного диска, выполненного в форме усеченного конуса и соединенного с основным плоским диском большим основанием. Конусный диск имеет диаметр меньше основного плоского диска и находится в пределах m=0,02...0,03 м. При значениях m<0,02 м каждый дополнительный диск уплотняет поверхностный слой почвы, а при значениях m>0,03 м значительно возрастает тяговое сопротивление рабочего органа (до 40%).

Кроме того, угол α между образующей и плоскостью основания дополнительного усеченного конуса находится в пределах 35...40^o, при превышении значений которых значительно возрастает тяговое сопротивление перемещению рабочего органа в почве (до 30...40%). Диаметр основного плоского диска не может находиться в пределах 0,6...0,7 м, т.к. диаметр рабочего органа не может обеспечить качественную подготовку почвы на необходимую по агротехническим требованиям глубину.

Наиболее близким из известных устройств по технической сущности и достигаемому результату является ротационный рабочий орган, содержащий установленный в подшипниках горизонтальный вал, имеющий привод во вращение, и на котором посредством распорных втулок с наклонными торцевыми основаниями закреплены диски, расположенные наклонно относительно оси вращения вала, причем угол наклона диска к оси равен соответствующему углу наклона оснований сопряженных с ним втулок (см. авторское свидетельство СССР 1662377).

Недостатком известного устройства является выполнение ножей ротационного рабочего органа в виде формы эллипсных дисков, а также выполнение вала вращения из двух частей, имеющих средство компенсации их угловых смещений, которые расположены в зоне центрального подшипникового узла между обращенными друг другу концами частей вала, взаимодействующих между собой через указанное средство.

Кроме того, направление большей оси эллипса дисков должно совпадать с соответствующей большой осью втулки, и величина угла наклона дисков к осям вращения частей вала и соответствующая величина угла наклона оснований втулок должны быть равны 10...30^o.

Однако устройство ножей ротационного рабочего органа при меньших углах α приводит к резкому снижению бокового воздействия диска на почву, и тем самым снижается ее крошение, а при больших углах резко увеличиваются затраты энергии на обработку почвы, она излишне крошится, машина испытывает значительные циклические нагрузки.

Задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение надежности в работе орудия и эффективности подготовки почвы при ее обработке.

Поставленная цель достигается тем, что вал вращения выполнен в виде многогранника. Каждая распорная втулка выполнена с посадочной поверхностью под многогранник. Сопряженные друг с другом торцевые основания втулок выполнены прямыми. Диски снабжены зубьями и расположены относительно друг друга с угловым смещением на валу вращения.

Длина каждой распорной втулки по оси определяется выражением
L=0,5(D•sinα+S),
где D - диаметр диска, м;
α - угол наклона дисков к оси вращения, град.;
S - толщина диска, м.

Наружный диаметр каждого диска определяется по выражению

где h - высота зуба, м;
n - число зубьев, шт.

Рабочая поверхность одного зуба и нерабочая поверхность другого расположены перпендикулярно относительно друг друга и имеют радиус скругления, равный
R₁=h²/Rsinarccos(1-h/R),
где R - радиус диска.

Для соответствия заявленного объекта критерию "существенные отличия" проведен поиск по кл. МПК 5 А 01 В 9/00, 49/02, 23/06, 29/04; МПК 6 А 01 8 9/00, 15/16, 33/08.

В результате поиска заявителем не обнаружены технические решения, в которых имеются признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен общий вид ротационного рабочего органа с образованием направляющей щели в почве, на фиг. 2 - вид А на фиг.1 с расчетной схемой определения внешнего диаметра зубчатого диска.

Ротационный рабочий орган содержит установленный в подшипниках 2 горизонтальный вал 6, имеющий привод во вращение 1, на котором посредством распорных втулок 3 с наклонными торцевыми основаниями 4 закреплены диски 5, расположенные наклонно относительно оси вращения вала 6, угол наклона диска 5 к указанной оси равен соответственно углу наклона оснований 4 сопряженных с ним втулок 3.

Вал вращения 6 выполнен в виде многогранника, и в каждой распорной втулке 3 выполнена посадочная поверхность 10 под многогранник. Сопряженные друг с другом торцевые основания 8 втулок 3 выполнены прямыми, диски снабжены зубьями 9 и расположены относительно друг друга с угловым смещением на валу вращения 6.

Длина каждой распорной втулки 3 по оси определяется выражением
L=0,5(D•sinα+S),
где D - диаметр диска, м; α - угол наклона дисков к оси вращения, град., S - толщина диска, м.

Наружный диаметр каждого диска 5 определяется по выражению

где h - высота зуба, м; n - число зубьев, шт.

Рабочая поверхность одного зуба и нерабочая поверхность другого расположены перпендикулярно относительно друг друга и имеют радиус скругления, равный R₁=h²/Rsinarccos(1-h/R).

На фиг.2 видно, что вал вращения 6, изображенный на фиг.1, представляет собой многогранник, в качестве которого, например, используется вал квадратного сечения, и соответственно посадочная поверхность 10 распорных втулок 3 имеет квадратное сечение.

Между наклонными параллельными основаниями 4 двух распорных втулок 3 установлен диск 5. При этом диски 5 и втулки 3 на валу вращения 6 установлены относительно друг друга с угловым смешением. Например, вал 6 выполнен квадратом, при этом диски 5 с распорными втулками 3 размещаются на валу 6 так, чтобы положение угла ϕ поворота дисков 5 относительно отметки радиуса вращения каждого последующего диска 5 располагались с угловым смещением в 90^o.

Отметка радиуса вращения диска имеется в продолжении стороны многогранника 6. На фиг.2 - точка отмечена ϕ=90^o, D - диаметр внешней окружности зубъев 9 диска 5, α - угол наклона дисков 5 к оси вращения 6, L - общая длина сборки по оси (длина втулки + толщина диска + длина втулки). Из треугольника АBC определим L(м)=D•sinα. Зная толщину диска S(м), определим длину каждой распорной втулки по выражению

Например, при заданном диаметре диска D=0,26 м, угле наклона дисков α= 15^o и толщине диска S=0,01 м определим по выражению L(м)=0,5•(D•sinα+S), осевой размер втулки 3 равен L=0,5•(0,26•sin15^o+0,01)=0,0386 м, т.е. 3,68 см.

Ротационный рабочий орган позволяет установить между прямыми основаниями 8 распорных втулок 3 другие распорные втулки 7, длина которых определяется условиями расчетной схемы образования направляющей щели АС в почве. При этом количество зубчатых дисков 5, установленных на валу 6, определяют по выражению N_а(шт.)=B_p/(L+CD), т.к. В_р - ширина захвата ротационного рабочего органа, м, L - ширина почвообрабатывающей щели L(м)=D•sinα+S, CD(м) - заданная ширина валка между щелями АС, то определим количество зубчатых дисков 5 N_a= B_p/(D•sinα+S+CD).

Например, В_p=3,6 м, D=0,26 м, α=15^o, S=0,01 м, СD=0,15 м.

N_a=3,6/(0,26•sin15^o+0,01+0,15)=15,8≈16 (шт.)
Таким образом, ширина (АС) почвообрабатывающей щели равна L(м)=D•sinα+S= 0,26•sin15^o+0,01= 0,077, т.е. равна 7,7 см. При расстоянии СD между ними 15 см, при заданной ширине захвата (B_р) ротационного рабочего органа в 3,6 м необходимо установить на валу 6 диски 5 в количестве 16 шт. диаметром 26 см.

При отсутствии валков СD=0 между щелями АС, т.е. сплошная обработка почвы, количество зубчатых дисков 5 соответственно определяется по выражению
N_a(шт.)=B_p/(D•sinα+S)=3,6/(0,26•sin15+0,01)=47,
т.е. при сплошной обработке почвы необходимо на валу 6 установить 47 шт. зубчатых дисков 5.

При вращении вала 6 зубчатые диски 5 кроме вращательного движения с определенной угловой скоростью совершают колебательные движения как в продольной плоскости, так и в поперечной плоскости с одновременным резанием почвы каждым зубом 9 диска 5. При этом синусоидальные колебания каждого диска 5 отличаются друг от друга по фазе, т.е. по угловому их смещению дисков на валу 6. Одновременно с колебательными движениями каждого диска 5 на его боковой поверхности появляется выталкивающая сила Р, которая выбрасывает раскрошенную почву в обе стороны от плоскости вращения диска, что улучшает перемешивание.

На фиг.2 видно, что R=D/2 радиус внешней окружности зубьев 9 диска 5, r - внутренний радиус, который равен r=R-h, где h - высота зуба 9. Из треугольника 0GК определим угол ψ, как cosψ=r/R, заменяя в этом выражении r=R-h, получим, что cosψ=(R-h)/R или cosψ=1-h/R. Определим величину угла ψ при заданном количестве зубьев (n) как ψ=360^o/n. Следовательно, cosψ=1-h/R, откуда радиус внешней окружности R зубьев 9 диска 5 при заданной высоте зуба (h) определяется выражением
R=h/(1-cos360^o/n), м.

Так как R=D/2, то D=2h/(1-cos360^o/n). Например, при заданной высоте зуба h= 0,025 м количество зубьев n=10 шт., определим диаметр диска 5. D=2h/(1-cos360^o/n)= 2•0,025/(1-cos360^o/10)= 0,26 м. Так как cosψ=1-h/R, то ψ=arccos(1-h/R) и l/R= sinψ, т. е. l=Rsinψ или l=Rsinarccos(1-h/R) и, следовательно, радиус скругления определим как отношение квадрата высоты зуба (h) к его длине (l), т.е. R₁=h²/Rsinarccos(1-h/R)=0,008 (м)
На фиг. 2 видно, что при вращении зубчатого диска 5 с угловой скоростью ω_a появляется линейная (тангенциальная) скорость V_a. Число оборотов в единицу времени зубчатого диска 5 при движении тягового средства со скоростью V_т определим из условия равенства скоростей V_a=V_т.

Известно, что линейная скорость материальной точки, движущейся по окружности, определяется по формуле

где D - диаметр диска, м; N/t - число оборотов (с^-1=Гц.), L_a - длина внешней окружности диска, м.

Следовательно, при V_т=L_a•N/t, имеем N/t=V_т/L_a.

Например, при D=0,26 м, получим L_a=π•D=3,14•0,26=0,817 м. Число оборотов N(c^-1)= V_т/0,817, при скорости движения V_т= 11,7 км/ч= 3,25 м/с получим /N(c^-1)= 3,25/0,814=3,97 или число оборотов зубчатого диска 5 за одну минуту N=3,97•60=239 об/мин.

Таким образом, число оборотов зубчатого диска 5 должно соответствовать при обработке почвы выбранной технологической скорости движения машинно-тракторного агрегата.

Ротационный рабочий орган работает следующим образом.

При движении почвообрабатывающего орудия наклонные диски 5, расположенные на валу вращения 6 в продольной и поперечных плоскостях под разными углами, получают вращение от привода 1, врезаются в пласт и, совершая колебательные движения при вращении в обеих плоскостях, осуществляют зубьями 9 подрез почвы по синусоидальному закону, крошат ее и осуществляют выброс разных фракций почвы из под каждого диска 5 за счет возникающей силы (Р), направленной перпендикулярно плоскости зубчатого диска, и центробежной силы каждой режущей поверхности зуба 9.

Ротационный рабочий орган, рассчитанный на образование почвообразующей щели АС на определенную глубину (Н), при его вращении осуществляет переброс разных фракций почвы и растительных остатков из под каждого диска 5.

Ротационный рабочий орган, рассчитанный на сплошное рыхление почвы (E-F) на определенную глубину, при его вращении осуществляет активное рыхление пласта почвы, при котором каждый диск 5 осуществляет переброс разных фракций почвы и растительных остатков из одной почвообразующей щели, образованной одним диском 5, в другую, т.е. другого диска. При этом на дне каждой щели размещаются более крупные фракции почвы и растительные остатки, а меньшие фракции почвы засыпают фракции сверху.

Между каждым диском (образование почвообразующей щели) после их 5 движения образуется гребень, т.е. между каждой почвообразующей щелью АС на поверхность пласта CD выносятся более тяжелые фракции почвы, которые присыпаются более легкими фракциями почвы.

В результате того, что диски 5 с втулками 3 установлены на многогранном валу вращения 6 под определенным углом α к оси вращения в продольном направлении и расположены относительно друг друга с угловым смещением ϕ на валу вращения в поперечном направлении, обеспечивается уравновешивание колебаний вдоль оси вращения ротационного рабочего органа, что не только снижает нагрузки на подшипники 2, но и повышает качество при различной технологии предпосевной обработки почвы.

Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, в частности к дисковым почвообрабатывающим орудиям. Ротационный рабочий орган состоит из дисков и втулок с наклонными основаниями, установленными на горизонтальном валу, выполненными в виде многогранника. В распорной втулке выполнена посадочная поверхность под многогранник вала и одно из оснований каждой втулки выполнено с прямой поверхностью. Диски снабжены зубьями и расположены относительно друг друга с угловым смещением на валу. Угол наклона дисков к оси вала равен соответствующему углу наклона оснований сопряженных с ним втулок. Длина втулки и наружный диаметр диска определяются по определенным зависимостям. Рабочая поверхность одного зуба и нерабочая поверхность другого зуба расположены перпендикулярно друг другу и имеют радиус скругления. Такое конструктивное выполнение позволит расширить функциональные возможности рабочего органа, повысить его надежность и обеспечить эффективную подготовку почвы. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ротационный рабочий орган, содержащий установленный в подшипниках горизонтальный вал, имеющий привод во вращение, на котором посредством распорных втулок с наклонными торцевыми основаниями закреплены диски, расположенные наклонно относительно оси вращения, причем угол наклона диска к указанной оси равен соответствующему углу наклона оснований сопряженных с ним втулок, отличающийся тем, что вал вращения выполнен в виде многогранника и в каждой распорной втулке выполнена посадочная поверхность под многогранник, при этом сопряженные друг с другом торцевые основания втулок выполнены прямыми, диски снабжены зубьями и расположены относительно друг друга с угловым смещением на валу вращения. 2. Ротационный рабочий орган по п. 1, отличающийся тем, что длина каждой втулки по оси определяется выражением L= 0,5(D^.sinα+S), м, где D - диаметр диска, м; α - угол наклона дисков к оси вращения, град. ; S - толщина диска, м. 3. Ротационный рабочий орган по п. 1, отличающийся тем, что наружный диаметр каждого диска определяется по выражению D= 2^.h/(1-cos360^o/n), где h - высота зуба, м; n - число зубьев, шт. 4. Ротационный рабочий орган по п. 1, отличающийся тем, что рабочая поверхность одного зуба и нерабочая поверхность другого расположены перпендикулярно друг друга и имеют радиус скругления, равный R₁= n²/R^.sin arccos(1-h/R), где R - радиус диска, м.