Результат интеллектуальной деятельности: Разрушитель структуры прочной почвы

Область техники, к которой относится изобретение

Разрушитель структуры прочной почвы относится к устройствам для обработки почвы.

Уровень техники

Известны устройства для обработки почвы, см., например, книгу «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины» раздел «Машины и орудия для обработки почвы», под редакцией акад. Г.И. Листопада, М.: Агропромиздат, 1986 г или, книгу Н.И. Кленин и В.И. Сакун «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины» раздел «Машины и орудия для обработки почвы», М.: Колос, 1994 г. Недостатком известных устройств является невозможность с их помощью осуществить разрушение структуры прочной почвы.

Известно почвообрабатывающее орудие (патент RU 2120710 С1, опубл. 27.10.1998) содержащие установленные на раме в ряд под острым углом к направлению движения рыхлительные рабочие органы с вертикальными плужными отвалами. Профиль рыхлительных рабочих органов выполнен в виде части конической поверхности выпуклостью вверх.

Недостатком почвообрабатывающего орудия являются трудоемкие операции по замене рабочих органов с последующей регулировкой и значительные затраты энергетических и механических ресурсов при их использовании.

Наиболее близким к заявляемому устройству по конструкции и технической сущности являются культиваторы, чизели, глубокорыхлители и другие устройства, включающие рабочий орган, взаимодействующий с почвой в ее толще, например, лапа плоскореза, рыхлящее долото и другие, жесткие стойки, соединенные с рабочим органом, заглубляющий механизм и тяговое устройство, см. книгу «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины» под редакцией акад. Г.И. Листопада рис. 1.1 и рис. 1.4 или книгу Н.И. Кленин и В.И. Сакун «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины», М.: Колос, 1994 г. рис. 1.60 и рис. 1.66. Недостатком известных устройств также является невозможность с их помощью эффективно осуществить разрушение структуры прочной почвы.

Раскрытие изобретения

Все известные почвообрабатывающие устройства классифицируются по многочисленным признакам, в том числе, известны классификации по назначению и принципу действия, см., например, книгу «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины», под редакцией акад. Г.И. Листопада, М.: Агропромиздат, 1986 г, стр. 5. Среди известных классификаций по назначению отсутствует понятие «разрушение прочного почвенного слоя». Отсутствуют поэтому и соответствующие устройства, предназначенные для осуществления действия по разрушению прочного почвенного слоя. Поясним суть сказанного.

Известны почвы, содержащие суглинистую или глинистую составляющую, которые в условиях засушливого климата могут образовывать весьма прочную структуру. Обработка таких тяжелых почв и, в первую очередь, их распахивание требует больших затрат энергетических и механических ресурсов. Здравый смысл и практика подсказывает, что предварительное (перед пахотой) разрушение прочной структуры пахотного слоя такой почвы с образованием многочисленных трещин и микротрещин приводит к положительному эффекту, сокращая в целом расход ГСМ и исключая практически отказы механических систем и рабочих органов.

Приведем кратко обоснование возможности организации разрушения структуры почвы и принцип формирования устройства для реализации этой цели. Как известно, см., например, кн. «Физические основы механики почв» И.М. Панов, В.И. Ветохин, Киев, 2008 г. изд. Феникс, почва образует достаточно сложную систему, содержащую кроме плазмы, все остальные формы состояния материи твердую, жидкую и газообразную, имеющие минеральное и органическое происхождение. С точки зрения прочности почва минимальной влажности подобна каменным материалам, то есть это материл хрупкий с прочностью на сжатие многократно превосходящей прочность на другие виды деформированного состояния и, особенно, на растяжение. Известно, что прочность на растяжение более чем на порядок меньше прочности на сжатие см., например, кн. «Физические основы механики почв» И.М. Панов, В.И. Ветохин, Киев, 2008 г. изд. Феникс, стр. 31. Этот фактор играет определяющую роль в создании рабочего органа, позволяющего организовать разрушение почвы наиболее эффективно. Иначе говоря, для разрушения почвы с затратой минимальной энергии необходимо создать в ней напряжения растяжения. Покажем, что напряжения растяжения в пахотном слое почвы может быть создано.

Обоснуем вначале принципиальную возможность формирования рабочего органа - разрушителя структуры прочной почвы (разрушителя), такого, что при его взаимодействии с почвой, создаются именно напряжения растяжения, заметим при этом, что экспериментальные исследования для уточнения геометрических параметров разрушителя необходимы.

Глубина основной обработки почвы определяется интервалом от 16 до 24 см. например, книгу «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины» под редакцией акад. Г.И. Листопада, М.: Агропромиздат, 1986 г, стр. 9. Возникновение растягивающих напряжений локального характера в почве могут быть организованы различными устройствами, в том числе и жестким недеформируемым снарядом, перемещающимся в ее толще и раздвигающим почву таким образом, что она, среди прочих направлений, перемещается и вверх. Такой снаряд может иметь вверху поверхность конической формы, перемещаться горизонтально (параллельно дневной поверхности) в толще пахотного слоя в некотором интервале глубины. Этот снаряд, состоит из стальной пластины в форме равнобедренного треугольника с заостренными боковыми кромками, на которой закреплен стальной элемент в виде половины конуса, из части, разрезанной плоскостью симметрии, причем боковые заостренные кромки пластины выступают за периметр конической части снаряда. Перемещаясь поступательно вдоль своей оси, заостренные кромки стальной пластины снаряда вначале разрезают почву за пределами конуса, а затем эта коническая составляющая деформирует и уплотняет почву, раздвигая ее по периметру. В результате образуется тоннельное отверстие с сечением в виде полукруга, то есть в почве и из почвы образуется свод. При этом возможны два результата: образование прочного свода или его разрушение уже в процессе «строительства». Это зависит от размеров снаряда, от глубины его положения в почве и от физико-механических свойств почвы. Для оценки достижения состояния предельного равновесия почвы обычно привлекается гипотеза прочности Кулона - Мора см., например, кн. «Физические основы механики почв» И.М. Панов, В.И. Ветохин, Киев, 2008 г. изд. Феникс, стр. 69, когда предельное состояние в точке зависит от величин и комбинации возникающих напряжений. Здесь очевидно, что разрушение почвы происходит в том случае, когда давление вышележащего слоя почвы не уравновешивает давление противоположного знака, возникающее при движении снаряда. При этом развиваются растягивающие напряжения, разрывающие этот свод.

Теперь рассмотрим геометрию основной (конической) части рабочего органа в горизонтальном положении, способного реализовать этот процесс на практике. Принимая средний угол внутреннего трения почвы по стали α=25°, см. книгу Н.И. Кленин и В.И. Сакун «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины» М.: Колос, 1994 г. стр. 50, можно назначить (в первом приближении) этот угол между осью конуса и его образующей. Радиус основания конуса R примем соизмеримым с наибольшей глубиной основной обработки почвы h ~ 24 см, не более, например, 0,25 h, то есть R ~ 60 мм. Таким образом, вычисляется и предельная длина конической части разрушителя =60 мм/tg25° ~ 130 мм.

Заостренные кромки пластины по ходу движения первыми взаимодействуют с почвой. Они разрезают почву и помогают тем самым работе конической части, сокращая затраты энергии. Очевидно, пластина изнашивается в первую очередь. Поэтому предусматривается ее соединение с конической частью разъемным. Аналогичное решение принято и для стойки, со сменной режущей частью, хотя ее взаимодействие с почвой носит вторичный характер, так как она перемещается в зоне уже разрушенной почвы. Жесткая стойка для крепления разрушителя должна быть выполнена с возможностью изменения глубины положения разрушителя, например, так, как это сделано для стойки рыхлительной лапы см. книгу Н.И. Кленин и В.И. Сакун «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины», М.: Колос, 1994 г. рис. 1.38, стр. 64. Удержание разрушителя при работе на заданной глубине достигается одним из известных конструктивных решений, например, установкой опорных колес см., например, книгу «Сельскохозяйственные и мелиоративные машины» под редакцией акад. Г.И. Листопада, М.: Агропромиздат, 1986 г, стр. 9, рис. 1.3, стр. 15.

Организация процесса разрушения почвы может быть следующей. После проведения предварительного разрушения одним разрушителем, установленного на некоторой глубине, оценивается примерная область распространения трещин и микротрещин в трехмерном измерении. После чего, при необходимости, меняется глубина положения разрушителя и устанавливается шаг размещения остальных разрушителей.

Образованные в результате обработки трещины и микротрещины способствуют впоследствии более качественной обработке почвы, а при наличии осадков более эффективному проникновению влаги в почву и ее равномерному увлажнению.

Операция по разрушению структуры прочной почвы может быть включена в систему предпахотной обработки.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена схема разрушителя, вид сбоку.

На фиг. 2 представлена фронтальная проекция разрушителя.

На фиг. 3 представлена схема разрушителя в плане.

На фиг. 4 представлена схема крепления треугольного элемента.

На фиг. 5 представлено мечение стойки с пазами

На фиг. 6 представлена схема образования трещин.

На фиг. 7 представлена схема разрушения почвы.

Осуществление изобретения

Разрушитель структуры прочной почвы, включает жесткую стойку 1 и соединенный с ней болтами 2 рабочий элемент, выполненный в горизонтальном положении оси в виде стального конуса 3 с отсеченной горизонтальной плоскостью симметрии половиной к низу и пазом для соединения со стойкой 1, закрепленного на пластине 4, выполненной в форме равнобедренного треугольника с заостренными боковыми кромками, выступающими за пределы конуса, закрепленной к конической части 3 винтами 5 впотай, причем на каждой стороне стойки 1 выполнены боковые пазы 6 в области взаимодействия с почвой, а заостренная съемная фронтальная часть 7 стойки 1 имеет поперечное сечение рабочей части в виде равнобедренного треугольника 8 с упругими боковыми элементами 9 снабженными утолщениями 10, выполненными для их размещения в пазах 6 стойки 1.

Процесс разрушения почвы организуется следующим образом. После проведения предварительного разрушения одним разрушителем, установленного на некоторой глубине, оценивается примерная область распространения трещин и микротрещин в трехмерном измерении. После чего, при необходимости, меняется глубина положения разрушителя и устанавливается шаг размещения остальных разрушителей. Работа разрушителя происходит таким образом. Вначале заостренные кромки пластины 4 подрезают пласт почвы 11, затем коническая часть 3 при движении поднимает этот пласт на высоту радиуса основания конуса, при этом в почве возникают напряжения растяжения и возникают трещины (микротрещины) 12, максимальная величина которых реализуется у наивысшей точки основания конической поверхности, где перемещается стойка 1 с заостренной фронтальной частью 7 (Фиг. 7).

В устройстве предусмотрена возможность замены режущих элементов 4 и 7, подвергающихся износу.