Почвообрабатывающая машина
Владельцы патента RU 2724743:
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Курский федеральный аграрный научный центр" (RU)
Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению и предназначено для механизации обработки почвы. Почвообрабатывающая машина содержит среднюю и боковые секции и расположенные в горизонтальной плоскости соосно передний и задний шарниры, посредством которых боковая секция сопрягается со средней секцией. Каждая из секций оснащена опорными колесами. Ось шарниров выполнена повернутой из продольного положения в сторону боковой секции по направлению рабочего перемещения машины. Обеспечивается повышение качества обработки почвы. 2 ил.
Изобретение относится к области сельскохозяйственного машиностроения.
Из существующего уровня техники для обработки почвы известна секционная широкозахватная почвообрабатывающая машина [1, с. 23-24]. С целью копирования рельефа поля и уменьшения габаритов в транспортном положении она выполнена в виде средней секции и боковых, каждая из которых в рабочем положении опирается на колеса. Боковые секции присоединены к средней посредством соосных переднего и заднего шарниров с продольной осью вращения, расположенной в горизонтальной плоскости. В транспортное положение боковые секции переводят гидроцилиндрами.
При выполнении агроприема рабочие органы машины заглубляются в почву под действием собственного веса и вертикальной составляющей вектора силы сопротивления почвы, приложенной к рабочим органам. Но на рабочие органы действует и реактивная сила сопротивления почвы, приложенная к затылкам лемехов и стремящаяся вытолкнуть их из почвы [2, с. 22]. Из-за этого на минимальных обработках почвы, когда заглубление рабочих органов невелико, выталкивающая сила превышает заглубляющую и рабочие органы неустойчиво выдерживают заданную глубину, что является серьезным нарушением агротехнических требований по качеству выполнения агроприема.
В сравнении с боковыми секциями средняя секция более массивная, так как, являясь консолидирующей конструкцией, принимает на себя вес сцепного устройства и гидроцилиндров подъема. Кроме того, заглубляющее усилие на ее рабочие органы можно устанавливать изменением положения в продольно-вертикальной плоскости мгновенного центра вращения машины относительно трактора. Поэтому нарушение стабильности хода по глубине наблюдается, прежде всего, рабочих органов боковых секций машины.
Известно устройство [3], у которого для управления заглубляющим усилием боковой секции используется механизм, сопряженный с гидроцилиндром ее подъема. Боковая секция известной конструкции не содержит опорного колеса. Гидроцилиндр размещен на средней секции, а его шток сопряжен с подпружиненным поперечным ползуном, закрепленным на боковой секции. В рабочем положении шток выдвигается до упора, а копирование рельефа рабочими органами боковой секции достигается за счет деформации пружины ползуна.
Однако известное устройство, во-первых, усложняет конструкцию машины. Во-вторых, глубина хода рабочих органов боковой секции без опорного колеса определяется жесткостью пружины и сопротивлением почвы обработке. Учитывая, что сопротивление почвы переменное с высоким уровнем вариабельности, рабочие органы не выдерживают заданную глубину обработки почвы.
Наиболее просто проблема заглубления рабочих органов боковой секции с опорным колесом решается ее догрузкой балластным грузом [4, 5]. Но при этом утяжеляется масса и снижается маневренность всей машины, возникает необходимость повышения ее прочности и, соответственно, стоимости, следствием чего являются повышенные затраты энергии и средств при выполнении агроприема.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение конструкции и повышение качества обработки почвы вследствие повышения равномерности глубины хода рабочих органов боковой секции почвообрабатывающей машины.
Данная задача решается за счет того, что расположенная в горизонтальной плоскости ось соосных переднего и заднего шарниров, посредством которых оснащенная опорным колесом боковая секция сопрягается со средней секцией, выполнена повернутой из продольного положения в сторону боковой секции по направлению рабочего перемещения машины V на угол ϕ:
где G - вес боковой секции;
R, ψ - соответственно, вектор силы сопротивления почвы, действующей на боковую секцию, и угол наклона его к горизонтальной плоскости;
x2, x3 - расстояние до поперечно-вертикальной плоскости, проходящей через передний шарнир, соответственно, точек приложения сил R и G;
y2, y3 - расстояние до продольно-вертикальной плоскости, проходящей через передний шарнир, соответственно, точек приложения сил R и G;
z3 - расстояние до горизонтальной плоскости, проходящей через передний шарнир, точки приложения силы R.
Технический результат достигается использованием силы сопротивления почвы обработке для повышения заглубляющей способности рабочих органов боковой секции. У известных конструкций эта сила параллельна продольной оси вращения боковой секции и не оказывает влияния на заглубляющую способность их рабочих органов. Вследствие поворота оси шарниров в сторону боковой секции вектор силы сопротивления почвы проектируется на плоскость, перпендикулярную оси вращения. Эта составляющая вектора создает относительно оси вращения боковой секции дополнительный заглубляющий момент, являющийся техническим результатом, обеспеченным приведенной совокупностью признаков (приложение).
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено: на фиг. 1 - схема почвообрабатывающей машины с устройством управления заглублением в почву рабочих органов боковой секции; на фиг. 2 - кинематическая схема устройства.
Почвообрабатывающая машина содержит среднюю 5 и боковые секции 6, опирающиеся в рабочем положении на колеса 7 (фиг. 1). На секциях закреплены почвообрабатывающие рабочие органы 9. Секции 6 сопряжены с секцией 5 посредством соосных переднего 0 и заднего 1 шарниров. Ось 8 шарниров расположена в горизонтальной плоскости и выполнена повернутой из продольного положения в сторону секции 6 по направлению рабочего перемещения V на угол ϕ. Для перевода секции 6 в транспортное положение предназначен гидроцилиндр 10.
Работает почвообрабатывающая машина следующим образом.
При выполнении агроприема на рабочие органы секции 6 действует сила сопротивления почвы R, приложенная к центру сопротивления 3, и вес секции G, приложенный к центру масс 2 сверху-вниз (фиг. 2). Сила R параллельна и обратно направлена рабочему перемещению машины. В горизонтальной плоскости она образует угол ϕ с осью 8. Проекция вектора силы R на плоскость перпендикулярную оси 8 создает дополнительный момент, который способствует устойчивому заглублению рабочих органов секции 6 в почву и совместно с опорным колесом 7 обеспечивает равномерную глубину их хода. В транспортное положение секция 6 (фиг. 1) переводится гидроцилиндром 10.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лурье, А.Б. Широкозахватные почвообрабатывающие машины / А.Б. Лурье, А.И. Любимов. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1981. - 270 с.
2. Синеоков, Г.Н. Теория и расчет почвообрабатывающих машин / Г.Н. Синеоков, И.М. Панов. - М.: Машиностроение, 1977. - 328 с.
3. Патент РФ 2409923. Механизм управления заглублением в почву рабочих органов боковых шарнирных секций копирующих почвообрабатывающих машин / Макаренко А.И., Ежов В.А.; заявители и патентообладатели Макаренко А.И., Ежов В.А. заявл. 15.10.09; опубл. 27.01.11.
4. http://dobrush-agro.ucoz.ru/index/aksh_9/0-14.
5. http://k-a-t.ru/sxt/2-pochva7_erozia/index.shtml.
Приложение
ОБОСНОВАНИЕ ЗАГЛУБЛЯЮЩЕГО ЭФФЕКТА СИЛЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЧВЫ, ДЕЙСТВУЮЩЕЙ НА БОКОВУЮ СЕКЦИЮ ШИРОКОЗАХВАТНОЙ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ МАШИНЫ
Рассмотрим боковую секцию 6 широкозахватной почвообрабатывающей машины (рис. 1).
Она сопряжена со средней секцией 5 соосными передним О и задним 1 шарнирами. В рабочем положении секция 6 опирается о почву колесом 7. Ось 8 шарниров расположена в горизонтальной плоскости. Для сравнения предположим, что ось 8 продольная, т.е. параллельна вектору скорости рабочего перемещения V. Выберем прямоугольную систему координат XYZ с началом в переднем шарнире О. Ось ОХ направим вдоль оси 8, а ось Z вертикально вверх.
Из активных сил на секцию действует сила сопротивления почвы обработке R и вес секции G. Сила R приложена к центру сопротивления секции 3, положение ее в пространстве в основном зависит от типа рабочих органов, которые для минимальных обработок выполняются, как правило, симметричные. Применительно к ним вектор R располагается в продольно-вертикальной плоскости и включает в себя горизонтальную Rx=Rcosψ и вертикальную Rz=Rsinψ составляющие, где ψ - угол наклона вектора R к горизонтальной плоскости.
Вес G приложен в центре масс секции 2 и направлен вертикально сверху-вниз. В зоне контакта опорного колеса с почвой (точка 4) действует вертикальная реакция Fz и продольная 
где 
- коэффициент сопротивления перекатыванию колеса по почве.
Уравнение равновесия моментов сил Мох относительно оси ОХ имеет вид:
где у2, у3, у4 - проекции на поперечно вертикальную плоскость ZOY плеч приложения сил G, Rz и Fz, м.
Вес G создает заглубляющий момент Gy2. Характер же воздействия на заглубление момента Rzy3 зависит от знака угла ψ. Применение машин с пассивными рабочими органами показало, что при рыхлении почвы на небольшую глубину угол ψ незначительно отличается от нуля и может принимать как положительные, так и отрицательные значения. При отрицательном ψ сила Rz создает момент Rzy3, который в зависимости от величины ψ может превышать момент Gy2 и выглублять боковую секцию.
Очевидно, что устойчивое заглубление в почву рабочих органов боковой секции возможно, когда опорное колесо стабильно контактирует с поверхностью поля, т.е. Fzy4≥0. Из уравнения (1) вытекает, что данное условие соблюдается, если
Среди активных сил, действующих на боковую секцию, превалирует составляющая Rx. Но она параллельна оси ОХ и не оказывает влияния на заглубляющую способность рабочих органов. Создается предпосылка нарушения параллельности оси ОХ и вектора Rx таким образом, чтобы момент от действия силы Rx имел направление на заглубление.
Введем подвижную систему координат 
с началом в точке О и возможностью ее поворота вокруг оси Z в горизонтальной плоскости на угол ср. Допустим, что ось 8 подвижная и совместим с нею ось 
Положение системы 
относительно XYZ определяется углом ϕ. Координаты точек приложения сил в подвижной системе 
оцениваются формулами:
Силы, действующие на боковую секцию относительно оси 8, создают момент 
где 
- проекция на плоскость перпендикулярную оси 
вектора силы сопротивления почвы R, м;
z3 - проекция на плоскость перпендикулярную оси 
плеча приложения силы 
м.
- проекции на плоскость перпендикулярную оси Z плеч приложения сил G, Rz, и Fz, м;
Значение 
вытекает из рис. 2:
Для заглубления в почву рабочих органов необходимо 
Учитывая это, подставим (2) и (4) в формулу (3). После преобразований получим выражение для угла ϕ:
Полученное значение ϕ соответствует стабильному выдерживанию рабочими органами необходимого заглубления при различных значениях угла ψ наклона вектора силы сопротивления почвы R к горизонтальной плоскости.
Формулу (5) использовали для управления заглубляющей способностью рабочих органов широкозахватного культиватора-плоскореза КПШ-9. Общий вес его составляет 23 кН, вес боковой секции 7 кН. Общая ширина захвата - 9 м, боковой секции - 3 м. Координаты точки приложения усилий к боковой секции: точка 2 (х2=1,54 м, у2=1,59 м, z2=-0,09 м); точка 3 (х3=1,56 м, у3=1,65 м, z3=-0,45 м); точка 4 (х4=0,91 м, у4=2,56 м, z4=-0,41 м).
Для КПШ-9 зависимость (5) представлена графически на рис. 3.
Анализ ее показывает, что при угле ψ=-23,4° рабочие органы боковой секции машины выдерживают заданную глубину обработки почвы за счет собственного веса при ϕ=0. С уменьшением угла у/ ниже данного предела собственного веса для заглубления рабочих органов боковой секции недостаточно и возникает необходимость поворота ее оси вращения. Но при ϕ=17,6° рабочие органы боковой секции выдержат необходимую глубину обработки, даже если ψ=-30°.
Почвообрабатывающая машина, содержащая среднюю и боковые секции и расположенные в горизонтальной плоскости соосно передний и задний шарниры, посредством которых оснащенная опорным колесом боковая секция сопрягается со средней секцией, отличающаяся тем, что ось шарниров выполнена повернутой из продольного положения в сторону боковой секции по направлению рабочего перемещения машины на угол ϕ:
где G - вес боковой секции;
R, ψ - соответственно вектор силы сопротивления почвы, действующей на боковую секцию, и угол наклона его к горизонтальной плоскости;
х2, x3 - расстояние до поперечно-вертикальной плоскости, проходящей через передний шарнир, соответственно точек приложения сил R и G;
y2, y3 - расстояние до продольно-вертикальной плоскости, проходящей через передний шарнир, соответственно точек приложения сил R и G;
z3 - расстояние до горизонтальной плоскости, проходящей через передний шарнир, точки приложения силы R.
