Патентные исследования, направленные на разработку и совершенствование конструкций широкозахватных культиваторов

АННОТАЦИЯ

В данной статье проведен обзор патентных источников с целью изучения существующих и разработки новых усовершенствованных конструкций широкозахватных культиваторов.

ABSTRACT

In this article the review of patent sources for the purpose of studying of existing and development of new improved designs of wide-reach cultivators is carried out.

Ключевые слова: обработка почвы, культиваторы, рыхлители, рабочий орган культиватора.

Keywords: tillage, cultivators, rippers, working organ of the cultivator.

Одной из важнейших задач современного сельскохозяйственного производства является изучение основ теории и расчета рабочих органов сельскохозяйственных машин и особенностей технологических процессов, раскрывающих основные закономерности, связывающие качество работы и расход энергии с технологическими свойствами обрабатываемых материалов.

Основой дальнейшего повышения плодородия почв и, следовательно, урожайности сельскохозяйственных культур является повышение эффективности использования применяемых удобрений. За счет внесения их в почву получают около 50% прибавки урожая. Однако применение минеральных удобрений связано с большими энергетическими затратами, а эффективность их в значительной степени снижается из-за широкого применения примитивных способов их внесения.

Повышение эффективности использования удобрений - это, прежде всего, внедрение в производство более совершенных способов и технических средств их внесения с целью удешевления производства и увеличения выхода растениеводческой продукции на единицу туков, улучшения качества, сокращения физических потерь питательных веществ, устранение опасности отрицательного влияния удобрений на окружающую среду.

Как известно, физико-механические свойства объектов обработки (почва, растения, удобрения, семена) обуславливают форму, размеры и конструкцию рабочих органов сельскохозяйственных машин и в конечном итоге, влияют на технологический процесс машины. Основоположником теории сельскохозяйственных машин является русский ученый, академик В.П. Горячкин (1868 - 1935), впервые открывший эту область прикладных знаний [1]. В своем классическом труде «Земледельческая механика», вышедшем в 1923 году, он впервые применил законы механики для анализа рабочих органов сельскохозяйственных машин, и тем самым открыл широкие возможности использования этих законов в  целях создания рациональных конструкций и определения оптимальных режимов работы машин. В.П. Горячкин видел в теории могучее средство познания законов, которым следуют технологические процессы, выполняемые сельскохозяйственными машинами и орудиями.

Знания этих законов позволяют управлять процессами в целях получения наибольшего эффекта при изменяющихся условиях работы.

Культиваторы представляют собой группу орудий для предпосевной обработки почвы, а также выполнения работ по уходу за парами и посевами сельскохозяйственных культур. С помощью культиваторов осуществляется рыхление почвы на глубину до 12 см и глубокое рыхление на глубину до 25 см и более, уничтожение сорной растительности, внесение в почву минеральных удобрений, окучивание и нарезание поливных борозд.

К культиваторам предъявляют следующие основные агротехнические требования. При сплошной обработке почвы поверхность поля должна быть ровной, без гребней и борозд. Рыхление почвы должно происходить без выноса влажных слоев на поверхность, без распыления частиц или их уплотнения. Отклонение от заданной глубины обработки почвы допускается не более ± 1 см. Рабочие органы культиватора должны уничтожать не менее 98 - 99% сорняков и не повреждать растения.

Для выполнения различных операций сплошной и междурядной обработки почвы культиваторы снабжаются комплектами рабочих органов различной формы и размеров. Наиболее распространенными формами рабочих органов культиваторов являются: лапы, подкормочные ножи, лемешные корпуса и игольчатые диски. Основные рабочие органы – лапы культиваторов выполняют операции рыхления почвы на глубину до 25 см и подрезания сорняков.

Проведем обзор патентных источников по различным конструкциям широкозахватных культиваторов, предназначенных для эффективной обработки почвы с целью создания благоприятных условий для роста и развития растений.

Известен агрегат для подкормки и внесения гербицидов в прикорневую зону растений [2]. Агрегат включает трактор с навесной системой, культиватор-растениепитатель, рабочие органы для рыхления почвы и подрезания сорняков. На стоках плоскорежущих рабочих органов, установленных у рядка растений, закреплены распылители для направленной подачи гербицидов и удобрений в прикорневую часть растений. Распылители выполнены в гибком износостойком шланге на боковой ее стороне, направленной к оси рядка растения. Во время работы шланг опирается на поверхность почвы и копирует ее рельеф, обеспечивая подачу жидкости в прикорневую зону растений. Распылительные отверстия выполнены коническими диффузорными. Такое конструктивное выполнение позволяет повысить урожайность за счет эффективного уничтожения сорняков в защитной зоне рядка культурных растений и внекорневого внесения удобрений, снижает энергозатраты и повышает производительность агрегата.

Известно устройство для дозированного внесения удобрения при культивировании соответственно плодородию почвы на каждой парцелле (очень маленьком участке земли) обрабатываемого участка [3]. Устройство содержит (рис.1) раму, рыхлитель, стойку, тензометрическое звено, измерительный комплекс, культиваторную лапу, бункер для удобрений и тукопровод.

Рисунок 1. Устройство для осуществления способа внесения удобрения в почву при культивировании

Рыхлитель устройства выполнен в виде диска 1, установленного на подшипнике на оси 2, закрепленной на нижнем плече 3 двуплечего рычага, который установлен на оси 4, закрепленной на ползуне 5. Ползун 5 установлен на раме 6 с возможностью продольного по ней перемещения и фиксирования гайками 7.

Тензометрическое звено 8 предлагаемого устройства связано с верхним плечом 9 двуплечего рычага и закрепленной на ползуне 5 стойкой 10 посредством дужек 11, свободно пропущенных через отверстия в стойке и упомянутом верхнем плече. Бункер 12 для удобрений закреплен на раме 6, на которой установлен дозатор 13. Через дозатор 13, подведенный под культиваторную лапу 14, тукопровод 15 сообщен с бункером 12. Дозатор 13 включает заслонку с электромеханическим приводом (на чертеже не показано). Ноутбук 16 и подключенный к нему АЦП/ЦАП 17 (аналого-цифровой/цифроаналоговый преобразователь) установлены в кабине трактора, агрегатируемого с культиватором. Тензометрическое звено 8 подключено кабелем 18 к измерительному комплексу, а именно к АЦП/ЦАП, который кабелем 19 подключен к электромеханическому приводу заслонки дозатора 13 (кабели имеют разъемные муфты). Изобретение отличается тем, что перед культиваторной лапой постоянно измеряют твердость почвы на подповерхностном ее уровне и в зависимости от изменения твердости почвы изменяют дозу удобрения, подаваемого под культиваторную лапу.

Также известен рабочий орган культиватора [4]. Рабочий орган культиватора содержит С-образную упругую стойку 1 с лапой 2 (рис.2,а). Верхняя часть С-образной стойки в верхней части выполнена в виде витой цилиндрической пружины 3 с полусферическими выступами 4 на нижней плоскости верхнего витка. На верхней плоскости нижнего витка выполнены полусферические выступы 5, а на среднем витке имеются полусферические выступы 6 (рис.2,б). Такое техническое решение способствует повышению эффективности поверхностного рыхления почвы при культивации с увеличением эксплуатационной надежности и технологичности, за счет повышения устойчивости возбуждаемых колебаний, уменьшения комковатости почвы при ее рыхлении с одновременным снижением тягового сопротивления орудия.

(а)                                                           (б)

Рисунок 2. Рабочий орган культиватора: (а) – вид спереди, (б) – вид сбоку

Существует рабочий орган культиватора [5], который может использоваться в сельском хозяйстве для культивирования почв как подверженных ветровой эрозии, так и не подвергающихся ветровой эрозии. Рабочий орган культиватора работает следующим образом. При движении рабочего органа культиватора по полю, рабочие органы заглубляются на установленную глубину. Долото разрезает пласт почвы, поднимает почву вверх и рыхлит. Оставшаяся часть пласта почвы рыхлится и подрезается лезвиями. Так как плотность почвы на разных участках поля неоднородна, лезвия лапы будут совершать независимые горизонтальные колебания благодаря пружинному механизму и наличию шарнирного соединения.

При попадании препятствия на одно из лезвий, оно будет отклоняться назад, стараясь пропустить препятствие до полного использования жесткости пружины и частичного воздействия на соседнее лезвие. Так как стойка рабочего органа жестко закреплена к раме культиватора, главным колебательным механизмом будет пружина, которая установлена между щеками и шарнирное соединение лапы со стойкой. В совокупности, все эти механизмы, позволяют значительно снизить тяговое сопротивление рабочего органа культиватора на 10%, увеличит степень подрезания сорняков на 15%, а также снизить степень налипания почвы на переднюю часть рабочего органа культиватора на 15%, уменьшить сгруживание растительных остатков, сократить время на техническое обслуживание, увеличивается ресурс рабочего органа.

Известен рабочий орган культиватора [6], представляющий собой ударник маятникового ударного механизма, закрепленный на С-образной стойке, выполненный в виде пустотелого цилиндра с полусферическими выступами на торцах, внутри которого расположено, с возможностью свободного перемещения вдоль оси цилиндра, массивное тело сферической формы. Рабочий орган культиватора функционирует следующим образом (рис.3).

При движении почвообрабатывающего агрегата по полю в направлении движения культиваторная лапа 2 заглубляется в почву на глубину ее обработки. При этом С-образная стойка 1, закрепленная на раме 3, под действием сил сопротивления почвы отклоняется назад против направления движения, поворачиваясь вокруг шарнира 4, сжимает пружину 5. При последующем снижении сил сопротивления почвы под действием сжатой пружины 5 С-образная стойка 1 поворачивается (поворот С-образной стойки 1 относительно шарнира 4 ограничен регулируемым упором 15) вокруг шарнира 4 вперед. Этот цикл повторяется периодически с частотой от 2 до 5 колебаний в секунду. В момент перемещения С-образной стойки 1 вперед, рычаг 6 с ударником 8, обладающим значительной инерционностью за счет своей массы, отходит от стойки 1, а затем, под действием силы тяжести, поворачивается вокруг оси вращения 7 (ось вращения 7 рычага 6 закреплена на С-образной стойке 1 зажимом 9) в направлении движения, и ударник 8 (ударник 8 выполнен в виде пустотелого цилиндра с полусферическими выступами 11, 12, 13 на торцах, внутри которого расположено, с возможностью свободного перемещения вдоль оси цилиндра, массивное тело 14 сферической формы) ударяет по бойку 10 С-образной стойки 1. В момент удара массивное тело 14 сферической формы, свободно перемещаясь под действием инерционных сил внутри пустотелого цилиндра, соударяется с полусферическими выступами 11, 12. Энергия ударных импульсов передаются от ударника 8 через боек 10 с полусферической рабочей поверхностью С-образной стойке 1 с культиваторной лапой 2, вызывая их вибрацию. Вибрация способствует самоочищению рабочих поверхностей культиваторной лапы 2 от налипающей почвы с растительными остатками, повышает степень крошения почвы культиваторной лапой 2 и способствует снижению тягового сопротивления.

Рисунок 3. Рабочий орган культиватора: вид сбоку

Техническим результатом полезной модели является увеличение частоты вибрации стойки с лапой, что обеспечивает самоочищение рабочего органа культиватора от налипающей на него в процессе работы почвы с растительными остатками, повышение степени крошения почвы культиваторной лапой и снижение тягового сопротивления.

Таким образом, разработка комбинированных орудий для предпосевной обработки почвы с одновременным внутрипочвенным локальным внесением минеральных удобрений одновременно позволяют достичь качественной обработки почвы и обеспечить питание растений в соответствии с биологическими потребностями фенологической фазы их развития. В связи с тем, что изучение основ современного сельскохозяйственного производства становится в настоящее время более актуальным, чем прежде и имеет важное народнохозяйственное значение, ведущие специалисты в области сельскохозяйственного машиностроения, как отечественные, так и зарубежные, не обошли эту проблему и отразили ее в той или иной степени в своих разработках.

Список литературы:
1. Горячкин В.П. Собрание сочинений. Том 2, М: Колос, 1965. 384с.
2. Патент на изобретение RU 2274992. Агрегат для подкормки и внесения гербицидов в прикорневую зону растений. Авторы: Сотченко В.С., Багринцева В.Н., Карпунин В.В., Абезин В.Г. Опубл. 27.04.2006г., бюл. № 12.
3. Патент на изобретение RU 2376743. Способ и устройство для внесения удобрения при культивировании. Авторы: Милюткин В.А., Ларионов Ю.В., Канаев М.А. Опубл. 27.12.2009г., бюл.№ 36.
4. Патент на изобретение RU 2605337. Рабочий орган культиватора. Авторы: Бабицкий Л.Ф., Соболевский И.В. Опубл. 20.12.2016г., бюл.№ 35.
5. Патент на полезную модель RU 170937. Рабочий орган культиватора. Авторы: Мяло В.В., Мазуров В.В., Мяло О.В., Демчук Е.В., Голованов Д.А. Опубл. 16.05.2017г., бюл.№ 14.
6. Патент на полезную модель RU 179172. Рабочий орган культиватора. Авторы: Бабицкий Л.Ф., Шевченко В.В., Москалевич В.Ю. Опубл. 03.05.2018г., бюл. № 13.