Способ обработки почвы и комбинированное почвообрабатывающее орудие
Изобретения относятся к сельскому хозяйству и предназначены для обработки почвы и дробления строительных материалов. Способ включает обработку почвы рабочими элементами ротационного рабочего органа, центр масс которых смещен к концу рабочих элементов, импульсно воздействуют на верхнюю плоскость почвенного пласта с частотой, кратной частоте колебания стоячих волн, в точке контакта их с почвенным пластом. Орудие содержит раму, опорные колеса, конический редуктор, бортовые редукторы, лемех, боковины, горизонтальный ротационный рабочий орган. Центр масс рабочих элементов ротационного рабочего органа смещен к концу рабочих элементов. Такие технология и конструкция позволят повысить производительность орудия и снизить затраты на обработку почвы. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретения относятся к сельскому хозяйству, предназначены для обработки почвы и могут применяться для дробления строительных материалов.
Известен способ вспашки (Сабликов М.В. Сельскохозяйственные машины, Часть первая, М.: Колос, 1968, стр.8) при котором плуг с лемешно-отвальной поверхность вырезает пласт, оборачивает его и смещает в сторону.
Недостатком такого способа является высокое энергопотребление, возникающее вследствие не только вырезания пласта, но и его сжатия в области груди отвала.
Известен способ обработки почвы, включающий фрезерование и сепарирование почвы с размещением более крупных фракций на поверхности обработанного слоя. Фрезерованию и сепарированию подвергают верхний слой почвы, а нижний слой обрабатывают безотвальным рыхлением (А.С. №209092 МКИ А 01 В 79/00).
Недостатком такого способа является то, что фреза создает бегущие волны, уносящие энергию за пределы области воздействия фрезы.
Наиболее близким способом к заявляемому способу является способ обработки почвы, включающий отделение пахотного слоя лемехом от низлежащих горизонтов и дробление пласта ротационным рабочим органом при его сходе с поверхности лемеха до того, когда пласт снова ляжет на дно борозды (SU 976867, МКИ А 01 В 17/00, А 01 В 49/02, 05.12.1982).
Недостатком такого способа является то, что от воздействия рабочим органом в торец пласта в нем создаются продольные волны, которые быстро затухают, поэтому невозможно создать резонансные условия для разрушения пласта.
Известно почвообрабатывающее орудие - плуг ПЛН-5-35, включающий раму, навеску корпуса с культурной или полувинтовой поверхностью, с вырезными отвалами, с выдвижным долотом, почвоуглубителями, предплужники, дисковый нож, регулировочное колесо (Карпенко А.Н. Халанский В.М. Сельскохозяйственные машины, 6-е изд. перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1989, стр.25).
Недостатком устройства является то, что производимый плугом процесс вспашки высокоэнергоемок.
Известно устройство для обработки почвы (SU патент №1776182 МКИ А 01 В 49.02, бюл. №42 от 15.11.1992), включающее в себя раму с опорными колесами, лемех, выполненный в виде плоского клина, и установленный за ним роторный измельчитель с приводом, лемех снабжен боковинами и в задней части - площадкой, которая наклонена вниз и расположена под тупым углом к лемеху, а привод выполнен с возможностью сообщения роторному измельчителю вращения в сторону наклонной площадки.
Недостатком устройства является высокая его энергоемкость, так как роторный измельчитель установлен за лемехом и создаваемые им импульсы сил при таком положении роторного измельчителя будут разрушать пласт методом резания. Поперечная волна при таком расположении роторного измельчителя не образуется. Образуется продольная волна, но в почвенных пластах она быстро затухает. Разрушение пласта в режиме резонанса при таком расположении роторного измельчителя невозможно, а, как известно, при резонансном режиме минимальные затраты энергии.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является комбинированное почвообрабатывающее орудие, содержащее раму, опорные колеса, подрезающий лемех и ротационный рабочий орган, имеющий расположенную перпендикулярно к направлению движения пути горизонтальную ось вращения и привод, причем ножи ротационного рабочего органа размещены позади лемеха (SU 976867, МКИ А 01 В 17/00, А 01 В 49/02, 05.12.1982).
Недостатком известного устройства является высокая энергоемкость, потому что мала величина импульсного удара, так как центр тяжести ударного элемента не находится в месте соприкосновения с обрабатывающим материалом.
Изобретения решают задачу снижения энергозатрат на обработку почвы.
Единый технический результат заключается в повышении производительности пахотного агрегата и снижении энергозатрат.
Указанный единый технический результат, который может быть получен при осуществлении группы изобретений по способу достигается тем, что в известном способе обработки почвы, включающем отделение почвенного пласта от почвенного горизонта, дробление его горизонтальным ротационным рабочим органом до того, когда пласт снова ляжет на дно борозды, согласно изобретению дробление осуществляют путем импульсного воздействия на верхнюю плоскость почвенного пласта с частотой кратной частоте колебания стоячих волн.
Указанный единый технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в комбинированном почвообрабатывающем орудии, включающем раму, опорные колеса, конический редуктор, бортовые редукторы, лемех, боковины, горизонтальный ротационный рабочий орган, согласно изобретению центр масс рабочих элементов ротационного рабочего органа смещен к концу рабочих элементов.
На чертежах представлено устройство в заявленной группе изобретений, где на фиг.1 изображен продольный разрез комбинированного почвообрабатывающего орудия; на фиг.2 - график колебания продольной волны; на фиг.3 - график колебания поперечной волны; на фиг.4 - график колебания поперечной волны в режиме наложения волн.
Заявленная группа изобретений соответствует требованиям единства изобретения, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - комбинированное почвообрабатывающее орудие предназначено для осуществления другого заявленного объекта группы - способа обработки почвы, при этом оба объекта группы изобретений направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.
Способ обработки почвы осуществляется следующим образом. Почвенный пласт отделяется лемехом и боковинами от пахотного слоя и подвергается импульсному механическому воздействию на верхнюю плоскость почвенного пласта ротационным рабочим органом с частотой, кратной частоте колебания стоячих волн.
Устройство включает в себя раму 1, к которой жестко закреплен треугольник навески 2 для присоединения орудия к трактору. Болтами к раме 1 закреплены опорно-регулировочные колеса 3. Карданный вал 4 соединен с коническим редуктором 5, закрепленным на раме 1. По бокам рамы 1 установлены правый и левый бортовые редукторы 6 и боковины 7, закрепленные регулировочными болтами. К боковинам 7 жестко закреплен лемех 8. К бортовым редукторам присоединен горизонтальный ротационный рабочий орган 9. Ротационный рабочий орган 9 имеет рабочие элементы 10, центр тяжести которых смещен к концу рабочих элементов, к точке контакта с почвенным пластом. Крепежно-регулировочные болты 11, закрепляющие боковину 7 лемеха 8, вставляются в овальные отверстия. Это позволяет в зависимости от крошащей способности пласта менять положение ротационного рабочего органа относительно лемеха. При импульсном ударе рабочими элементами 10 ротационного рабочего органа 9 в торец пласта могут создаваться только продольные волны сжатия растяжения, которые затухают быстрее, чем смогут отраженными наложиться друг на друга (фиг.2). На фигуре 2 видно, что это простые затухающие колебания волн. При ударе сверху пласта создаются поперечные волны, которые образуют стоячие волны, постепенно затухающие (фиг.3). Если снова воздействовать на пласт с частотой, кратной частоте стоячих волн в тот момент, когда происходит нарастание амплитуд, то амплитуды возрастут еще дополнительно. Энергия волн прямо пропорциональна квадрату амплитуды. В стоячих волнах образуются узлы и пучности. В узлах максимальна кинетическая энергия, а в пучностях потенциальная. Ее можно определить по формуле
П=F
/2,
где - напряжение сжатия растяжения, - деформация, F - площадь поперечного сечения почвенного пласта.
Таким образом, импульсные воздействия ротационного измельчителя создают разрушение почвенного пласта в режиме резонанса в результате накопления потенциальной энергии стоячих волн. Разрушение пласта будет происходить при величине потенциальной энергии в которой напряжение будет больше предела прочности.
Комбинированное орудие работает следующим образом.
При движении в рабочем положении комбинированного почвообрабатывающего орудия лемех 8 подрезает почвенный пласт на заданной глубине. Почвенный пласт, перемещаясь по лемеху 8, сходит с его задней кромки. Почвенный пласт, будучи приподнятым лемехом относительно дна борозды, на начале схода с задней кромки лемеха изгибается и трескается в поперечном направлении. Эти трещины не дают распространяться механической энергии в продольном направлении пласта. Далее, верхняя плоскость почвенного пласта дробится, попадая под импульсное воздействие рабочих элементов 10 ротационного рабочего органа 9, центр масс которых смещен к концу. Импульсное воздействие происходит в точке контакта их с почвенным пластом с частотой, кратной частоте колебания стоячих волн. Рационный рабочий орган 9 приводится во вращение от карданного вала 4.
В зависимости от физико-механических свойств различных почв и глубины ее обработки можно смещать положения ротационного рабочего органа для воздействия на пласт в место, в котором он менее прочен. Для этой цели комбинированное почвообрабатывающее орудие выполнено с возможностью перемещения ротационного рабочего органа 9 относительно точек рамы 1 и, следовательно, относительно почвенного пласта. Для этой цели ослабляются болты 10 в овальных отверстиях боковин 7, и боковины 7 можно передвинуть в нужное место по овальным отверстиям. Для увеличения силы удара (увеличения центробежной силы) центр массы рабочего элемента 10 смещен к месту контакта с обрабатываемым материалом (почвенным пластом).
Пример конкретного осуществления способа. Способ обработки почвы осуществляется следующим образом.
Так как стоячие волны могут образоваться только в локальных элементах, то способом предусмотрено предварительное подрезание пласта на заданной глубине 15...20 см лемехом и заостренными боковинами. То есть пласт получается подрезанным слева и справа с толщиной 15...20 см. Кроме того, при наползании почвенного пласта на лемех происходит изгиб, в результате которого образуются поперечные трещины. Эти трещины отделяют пласт в передней части от общего массива. Таким образом, пласт отделяют от общей почвенной среды. Далее на пласт до того, пока он снова не ляжет на дно борозды, воздействуют импульсные нагрузки, которые разрушают целостность пласта. Расчеты произведены по графику (фиг.4), в котором показаны изменения ускорения поперечной стоячей волны. Он является частью графика фиг.3, во временной области от 493.27 до 498 микросекунд. На графике 4 показано троекратное наложение волн, в результате которого увеличилась амплитуда. Потенциальная энергия - энергия сжатия растяжениия максимальна в узлах пучностей. Энергия пропорциональна квадрату амплитуды. Увеличение энергии в пучностях происходит в результате перераспределения энергии. Потенциальную энергию П можно определить по следующей формуле:
П=F
/2.
Где F - площадь, - напряжение при деформации, - деформация. Если на почвенный пласт задавать импульсное воздействие, кратное частоте колебания поперечных волн, то возникнет условие при котором возникающее напряжение -
=2П/F
будет равно или больше напряжения, при котором пласт разрушится. Если ударять в торец пласта, то не будет достаточно времени для того, чтобы успеть задать повторный импульс. В данном способе создаются поперечные стоячие волны. Используя график изменения ускорения при колебании поперечных стоячих волн на фиг.4, можно подсчитать время подачи повторных импульсов. Суммируются волны, имеющие одинаковую частоту и период 4,3 мкс. Когерентность наблюдается до 498 мкс и далее апериодические затухающие колебания.
Период продолжения наложения волн 498-493,27=0,049 с.
Поперечная волна при размере пласта 0,35 метра пройдет его за 0,35/50=0,007 секунды. Успеет пройти его 7 раз, а если посчитать движение волны отраженной, то наложение будет три раза. Это и изображено на графиках фиг.3 и фиг.4. Частота, с которой может вращаться ротор 1/0,049=20,408 герц, угловой частотой - 128,162 радиана в секунду. При наличии 10 рабочих элементов ротора в минуту ротор должен совершать 768,972 оборота. Это вполне приемлемо для существующей современной техники. Импульсное воздействие на почвенный пласт с такой частотой возможно.
При воздействии ряда вращающихся элементов, расположенных на оси ротора, количество оборотов можно уменьшить. Например, если в интервале ширины пласта расположить 2 ряда дисков с рабочими элементами, то количество оборотов ротора измельчителя может составлять 385,86 оборотов в минуту. Существующие почвенные фрезы имеют скорость вращения 240...300 оборотов в минуту.
На почвах суглинистых произведен эксперимент при обработке почвы плугом ПЛН-4-35. Сопротивление этого плуга составило 10,54 кН. Комбинированное почвообрабатывающее орудие в этих же условия и на такой же скорости 5 км/ч имело сопротивление 8,4 кН, то есть на 20% меньше.
Таким образом, для разрыхления пласта предлагаемым способом требуется меньше затрат энергии, чем известными способами.
Предлагаемый способ обработки почвы позволяет пахотным агрегатам работать фронтально, с увеличенной шириной захвата, с уменьшенной удельной энергоемкостью, поэтому производительность агрегатов выше, чем при обработке почвы известными способами.
Предлагаемая конструкция позволяет уменьшить энергетические затраты на обработку почвы, кроме того, позволяет производить гладкую вспашку без гребней и развальных борозд, уменьшить путь холостого хода.
Формула изобретения
1. Способ обработки почвы, включающий отделение почвенного пласта от почвенной среды и дробление его горизонтальным ротационным рабочим органом до того, когда пласт снова ляжет на дно борозды, отличающийся тем, что дробление осуществляют путем импульсного воздействия на верхнюю плоскость почвенного пласта с частотой, кратной частоте колебания стоячих волн.
2. Комбинированное почвообрабатывающее орудие, включающее раму, опорные колеса, конический редуктор, бортовые редукторы, лемех, боковины, горизонтальный ротационный рабочий орган, отличающееся тем, что центр масс рабочих элементов ротационного рабочего органа смещен к концу рабочих элементов.
РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
