ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ПЛУГ Российский патент 2014 года по МПК A01B15/08 

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.

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_min и L_max, определяемым уравнениями L_min, $$L_{\max }=4R(1-\cos \frac{\alpha }{2})$$ , где α - углы поворота радиуса упомянутой окружности от вертикали соответственно α≥π и $$\alpha \le \frac{7}{6}\pi$$ , 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_min отвала в плоскости установки меньшей циклоиды равна и превышает половину арки циклоиды H_min≥πR, а высота H_max отвала в плоскости установки большей циклоиды превышает $$H_{\max }\ge \frac{7}{6}\pi R$$ , 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′

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 $$\frac{\pi }{6}$$ в точках O, O₁, O₂, O₃, O₄, O₅, O₆, O₇. При качении производящей окружности по линии АВ через каждые $$\frac{\pi }{6}$$ (30°) отмечены точки A, P₁, Р₂, P₃, P₄, P₅, P₆, P₇, P₈.

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″ i₅ i₁ g d 1″ и фронтальный контур (проекция III) обозначен символами 1′″, 2′″, 3′″, 4′″, 5′″, 6′″ f, e, 7′″, i₅ 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.

Энергосберегающий плуг включает лемешно-отвальную поверхность, изогнутую по двум таутохронно-брахистохронным направляющим циклоидам, длина которых превышает 4 радиуса окружности, производящей циклоиду, и равна L_min и L_max, определяемым уравнениями L_min, $$L_{\max }=4R(1-\cos \frac{\alpha }{2})$$ ,

где α - углы поворота радиуса упомянутой окружности от вертикали соответственно α≥π и $$\alpha \le \frac{7}{6}\pi$$ , 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_min отвала в плоскости установки меньшей циклоиды равна и превышает половину арки циклоиды H_min≥πR, а высота H_max отвала в плоскости установки большей циклоиды превышает $$H_{\max }\ge \frac{7}{6}\pi R$$ , 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°:

3. Определяем минимальную H_min высоту отвала и первой (меньшей) циклоиды:

H_min≥πR,

4. Определяем максимальную H_max высоту отвала и второй (большей) циклоиды:

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_max развертки окружности на равные отрезки дуг с интервалом делений, равных $$\frac{\pi }{6}R$$ . При этом используем возрастание угла на $$\frac{\pi }{6}$$ 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.

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 $$X=R\arccos \left(\frac{R-y}{R}\right)\pm \sqrt{y}\left(R-Y\right).$$ 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.

Изобретение относится к области сельскохозяйственного машиностроения, в частности к плугам для обработки почвы. Плуг содержит изогнутую по двум таутохронно-брахистохронным направляющим циклоидам лемешно-отвальную поверхность. Длина направляющих превышает четыре радиуса окружности, производящей циклоиду, и равна L_min и L_max. Длина определяется уравнениями L_min, $$L_{\max }=4R(1-\cos \frac{\alpha }{2})$$ , где α - углы поворота радиуса окружности от вертикали соответственно α ≥ π и $$\alpha \le \frac{7}{6}\pi$$ , R - радиус окружности, образующей циклоиду, равен где - ширина захвата лемеха, φ - угол между линией резания лемеха и стенкой борозды. Минимальная высота H_min отвала в плоскости установки меньшей циклоиды равна и превышает половину арки циклоиды H_min≥πR, а высота H_max отвала в плоскости установки большей циклоиды превышает $$H_{\max }\ge \frac{7}{6}\pi R$$ . Угол ε между лемехом и дном борозды регулируется по линии стыка лемеха с отвалом, например, винтами и шайбами с последующей затяжкой. Такое конструктивное решение позволяет снизить тяговое сопротивление почвы и энергозатраты на ее обработку. 5 ил.

Энергосберегающий плуг, включающий лемешно-отвальную поверхность, изогнутую по двум таутохронно-брахистохронным направляющим циклоидам, длина которых превышает 4 радиуса окружности, производящей циклоиду, и равна L_min и L_max, определяемым уравнениями L_min, , 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_min отвала в плоскости установки меньшей циклоиды равна и превышает половину арки циклоиды H_min≥πR, а высота H_max 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.