6.2. Бионическое обоснование конструктивно-технологических схем и принципа действия малоэнергоёмких почвообрабатывающих рабочих органов

Биосистемный подход к созданию рабочих органов почвообрабатывающих для экологического земледелия основывается на том, что почвообрабатывающие рабочие органы синтезируются на основе бионического сходства с живыми организмами, выполняющими однородные с ними функции. Функционируя в пространстве и времени они могут осуществлять пассивное и активное воздействие на почву. Повышение экологической безопасности при защите почв от различных видов эрозии способствует развитию противоэрозионной обработки с оставлением на поверхности поля стерни и растительных остатков. Для выполнения этого процесса наибольшее распространение получили плоскорезные почвообрабатывающие рабочие органы. При этом особая потребность возникает в разработке малоэнергоёмких плоскорежущих рабочих органов для поверхностной обработки почвы в системе экологического земледелия.

Бионические исследования по определению оптимальных форм и пара­метров рабочих органов, в такие принципов воздействия на почву, в сочетании с разработанными на их основе теоретическими предпосылками, позволяют создавать новые высокоэффективные почвообрабатывающие машины. Заимствование форм у биологических прототипов с дальнейшим их аналитическим описанием дает возможность обосновать рациональные конструктивные схемы и параметры различных типов почвообрабатывающих рабочих органов.

В разработке таких конструкций выделяются два основных направления: многоконтактные (зубчатые) рабочие органы с жёсткими рабочими элементами и виброударные рабочие органы с вибрирующими, в процессе соударения, рабочими звеньями. Бионические предпосылки многоконтактного воздействия на почву положены в основу обоснования форм и определения геометрических параметров новых зубчатых плоскорезных лап и безотвальных корпусов плуга, зубчатых глубокорыхлителей почвы и гладких секционных катков. Концентрируя давления в малой области, такие рабочие органы с прерывистыми участками контакта с почвой, в процессе работы, реализуют пространственный фактор воздействия на почву.

По прототипу с роющими конечностями медведки и жука-носорога разработаны новые конструкции плоскорезных рабочих органов с зубьями на лемехах и стойке. Такие рабочие органы могут входить в состав вновь создаваемых почвообрабатывающих орудий, а также устанавливаться на рамах культиваторов-плоскорезов, плоскорезов-глубокорыхлителей и глубокорыхлителей-удоб­рителей.

Зубчатый плоскорезный рабочий орган (рис. 6.21) состоит из стойки 1 и башмака 2, к которому крепятся правый и левый зубчатые лемехи 3. В средней части лапы лемеха перекрывается долотом 4 с рыхлящим зубом. Для уменьшения развальной борозды стойка 1 имеет вертикальный зубчатый нож 5. В отличие от серийных плоскорезных лап, в новом рабочем органе, по прототипу с роющими конечностями биологических аналогов, режущие кромки зубьев расположены вдоль лезвия по логарифмической кривой, описываемой формулой (6.1), что обеспечивает равномерное рас­пределение давлений зубьев на почву по ширине захвата. С целью исключения забивания межзубового пространства почвой и растительными остатками вырезы 6 между зубьями выполнены по прототипу выемок ноги жука-носорога (рис. 6.12) по форме логарифмической спирали, описываемой формулой (6.1). Кривизна логарифмической спирали, описывающей форму вырезов передней ревущей части лемехов увеличивается от средней час­ти лезвия к его краям.

Рис. 6.21. Зубчатый плоскорез

Зубчатые плоскорезные рабочие органы могут быть оборудованы односторонне-зубчатыми или двухсторонне-зубчатыми лемехами. В последней конструкции лемехов, кроме передней зубчатой подрезающей части, имеется задняя зубчатая крошащая часть 7 с вырезами между зубьями по форме логарифмической спирали, описываемой формулой (6.1). У двухсторонне- зубчатых лемехов (рис. 6.21) вырезы 6 между зубьями задней крошащей части 7 лемехов выполнены по форме логарифмической спирали с кривизной вырезов, уменьшающихся к краям лемехов, противоположно увеличению кривизны логарифмической спирали, описывающей форму вырезов между зубьями режущей части лемехов 3.

Такое исполнение вырезов лемехов способствует крошению почвы со скольжением в вырезах при минимальном сопротивлении и исключает забивание вырезов в крошащей части. Противоположная направленность радиусов вырезов логарифмической спирали в крошащей и режущей частях лемеха способствует созданию различной концентрации давлений по ширине вырезов в режущей и крошащей частях. В вырезах режущей части подрезанная зубьями почва скользит в направлении к краям лемеха, то есть в направлении уменьшения радиуса-вектора логарифмической спирали, создавая концентрацию напряжений с центром а полюсе. В подрезанном слое почвы эти напряжения снимаются в вырезах крошащей чести, где почва скользит также к краям лемеха, в направлении от полюса логарифмической спирали по ее разворачиванию и увеличению радиуса-вектора.

Крошащая часть поверхности лапы по ширине захвата выполнена в виде косинусоиды с положительной выпуклостью кривизны вверх против зубьев ржущего лезвия и отрицательной - против вырезов лезвия. Лобовой контур зубьев в режущей части выполнен по форме логарифмической спирали с отрицательной выпуклостью кривизны вверх, что способствует подрезанию пласта почвы зубьями при минимальном сопротивлении. В про­дольном сечении рабочая поверхность крошащей части лемеха выполнена по форме двух смыкающихся логарифмических спиралей с положительной выпуклостью кривизны вверх в средней части и отрицательной - в задней части лемеха. В результате такого сочетания поверхностей в режуще-крошащих частях рабочего органа образуется волнистая поверхность, имеющая выпуклости в продольном и поперечном направлениях. Такая поверхность крошащей части лемеха вызывает многократный изгиб пласта почвы в поперечном направлении, возникновение в нем участков растяжения, сжатия и кручения. Возникающее неоднородное поле разноименных деформаций пласта почвы рабочим органом способствует улучшению качества крошения почвы. Режущая часть лезвия, выполненная по форме логарифмической спирали выпуклостью вниз не уплотняет дно борозды. Такая форма режущей части обеспечивает минимальный печальный угол вхождения в почву и хорошее скольжение ее по лезвию. В каждой точке поверхности скольжения действует сила реакции под углом трения к нормали поверхности, что способствует лучшей заглубляемости рабочего органа.

При движении рабочего органа лапа подрезает пласт почвы режущей части выступов, выполненной по логарифмической кривой выпуклостью вниз. Под действием выступов, зоны деформации которых смыкается, разрываются связи почвы в межзубовом пространстве. Почвенный пласт поступает на волнистую крошащую поверхность лапы, где под действием знакопеременных поперечных и продольных усилий интенсивно крошится с просыпанием мелких частиц почвы на дно борозды.

Анализируя форму впадин между зубами жука-носорога, где внутреннее трение почвы в межзубовом пространстве существенно влияет на энергетику процесса, апробировали кривую развернутой логарифмической кривой. Такое расположение дает возможность равномерно распределить давление на зубцах во время рытья почвы.

Определение оптимальной формы и параметров роющей конечности насекомого позволило создать конструктивную схему бороны (рис. 6.22) которая содержит раму 1 сварной конструкции из труб квадратного сечения 2 (рис. 6.23), с зубьями, которые образуют зубовое поле бороны.

На раме 1 расположены первый 3 и 4 четвертый ряды зубовых рыхлителей 5 причем они выполнены в виде зубчатого ножа 6 (рис. 6.23) рабочая кромка 7 которого имеет форму логарифмической кривой 8 с положительной выпуклостью кривизны в направлении движения. Дисковые рыхлители 9 второго 10 и третьего 11 рядов выполнены в виде установленных на поворотной раме 12 (рис. 6.24) двойных выпуклых дисков 13 с противоположными выпуклостями 14 каждого ряда под углом атаки 15 градусов. На каждом дисковом рыхлителе 9 между дисками 13 установлении сменные зубцы 15.

а

б

Рис. 6.22. Борона:

а – вид сверху; б – вид сзади.

Технологический процесс работы бороны происходит следующим образом. В начале движения бороны вдоль поля давление, возникающее под действием ножа 6 с зубчатой лобовой поверхностью по форме логарифмической кривой 8 с положительной выпуклостью кривизны в направлении движения является достаточным для первичной деформации почвы, а также минимизирует сопротивление проникновению зубовых рыхлителей 5 в почву.

а б

Рис. 6.23. Зубовый рыхлитель:

а – вид сбоку; б – вид спереди.

С увеличением количества комков перед зубчатым ножом 6 зубовного рыхлителя 5 возникает многоконтактное их взаимодействие с рабочей кромкой 7, что обеспечивает эффект перетирания комков уменьшая их диаметр.

а б

Рис. 6.24. Дисковый рыхлитель:

а – вид спереди; б – вид сбоку.

Дальнейшее рыхление почвы обеспечивают второй 10 и третий 11 ряды дисковых рыхлителей 9 причем второй 10 ряд работает в развал, а третий 11 ряд в свал. Углубление дисковых разрыхлителей 9 на глубину до 10 см обеспечивает угол атаки 15 градусов. При движении бороны диски 13 сцепляясь с почвой вращаются и отрезают полосу почвы, а также отделяют пожнивные остатки растений и поднимают их на внутреннюю сферическую поверхность 16. Затем почва с остатками растений с некоторой высоты падает и отводится дисками 13 в сторону. В результате перемещения по внутренней сферической поверхности 16 дисков 13 и падения почва крошится, частично переворачивается и смешивается с остатками растений.

Это обеспечивает ускорение почвообразования за счет сохранения влаги и интенсивного смешивания остатков растений с почвой.

Определение оптимальной формы и параметров лобовой поверхности ската-рогача позволило создать конструктивную схему плоскорежущего почвообрабатывающего рабочего органа, который состоит из рамы 1, ножа2, который закреплен на двух вертикальных стояках 3 и торсиона 4 (рис. 6.25).

Рис. 6.25. Плоскорежущий почвообрабатывающий рабочий орган (вид сбоку)

Нож 2 состоит из трех частей – двух боковых 5 и 6 и средней 7, консольно закрепленных на правой и левой сторонах стоек (рис. 6.26) так, что режущая кромка частей ножа в горизонтальной плоскости имеет форму логарифмической кривой 8 (рис. 6.27) с равномерным распределением давления на почву. Для устойчивой работы в продольной плоскости две боковые части 5 и 6 ножа 2 имеют в основе выступы 9 в форме треугольника, а стойки 3 с торсионом 4 оборудованы виброударными механизмами 10 с поочередно размещенными в цилиндрах 11 пружинами 12, двумя подвижными 13 и одним неподвижным 14 ударниками (рис. 6.27) и упругими опорами 15 (рис. 6.25).

Технологический процесс работы плоскорежущего почвообрабатывающего рабочего органа происходит следующим образом. При обработке почвы движется горизонтально рама 1, на которой в вертикальной плоскости закреплены две стойки 3, имеющие упругий элемент колебательной системы - торсион 4 (рис. 6.25).

Рис. 6.26. Плоскорежущий почвообрабатывающий рабочий орган (вид спереди)

В процессе движения нож 2 углубляется в почву без образования гребней с помощью торсиона 4, который возбуждает колебания стоек 3 в зависимости от агрофизических свойств почвы, а также двух боковых частей 5 и 6 ножа 2, которые имеют в основании выступы 9 по форме треугольника. Выступы 9 по форме треугольника обеспечивают устойчивую работу в продольной плоскости движения стоек 3 и разгружают их от изгибающего момента. На глубине до 10 см нож 2, за счет трех частей - двух боковых 5 и 6 и средней 7, консольно закрепленных на правой и левой сторонах стоек 3, рыхлят, выравнивают почву и подрезают корни сорняков. Режущая кромка всех трех частей ножа, который имеет форму логарифмической кривой 8 является достаточным для первичной деформации почвы, и минимизирует сопротивление его рыхления. Режущая кромка 8 обеспечивает скользящее подрезание корней сорняков вдоль логарифмической кривой без накопления их на ее поверхности.

Рис. 6.27. Плоскорежущий почвообрабатывающий рабочий орган (вид снизу)

В зависимости от сопротивления почвы стойки отклоняются в сторону противоположную направлению движения и ударяются с двумя виброударными механизмами 10, которые с помощью бойков 11, пружин 12, двух движущихся 13 и одним неподвижным 14 ударниками воспроизводят энергию от удара и передают её обратно на стойки 3.

За счет этого, совместно с торсионом 4, образуется колебательно-ударный эффект, который создаёт большее количество плоскостей скалывания почвы, а также улучшает самоочищение рабочего органа от почвы и корней сорняков. Для предотвращения жесткого удара по раме 1 стоек 3, при их отклонении в сторону, соответствующей направлению движения и фазам деформации почвы, они ударяются по упругим опорам 15 защищая весь механизм от саморазрушения.

Предложенный плоскорежущий почвообрабатывающий рабочий орган созданный по бионическому прототипу донной рыбы - ската-рогача позволяет повысить эффективность защиты пахотных земель от ветровой эрозии и улучшить их плодородие. Это обеспечивается технологическим процессом безотвальной обработки почвы с сохранением стерни без создания гребневой поверхности почвы с одновременным её разрыхлением и выравниванием, а также подрезанием корней сорняков.

При обосновании рабочих органов ротационного типа для экологического земледелия интерес для создания, на основе принципов и методов бионики, представляют приспособления конечностей (ног) у птиц, адаптированные для перемещения по поверхности почвы, а также для рыхления при нахождении корма.

Определение оптимальной формы и параметров лобовой поверхности когтя, а также расположение пальцев ноги тетерева дали возможность создать конструктивную схему рыхлителя почвы, который содержит раму 1, два вала 2 с опорами (рис. 6.28).

Каждый вал имеет двухшнековую навивку 3 с переменной направленностью и с шагом, который меняется, и устанавливаются иглы 4 с помощью болтовых соединений 5 (рис. 6.29).

Рабочие кромки 6 игл 4 имеют вырезы 7 в которые, с помощью болтов 8 устанавливаются рыхлители 9 плоскостью, перпендикулярной направлению движения (рис. 6.28, 6.29). Рыхлители имеют вид ромба полусферической формы, рабочее лезвие 10 которых выполнено в виде трезубца 11 с кромками по логарифмической форме 12 и с вершинами 13 (рис. 6.29).

При движении агрегата по полю в направлении поперечном оси двух валов 2 иглы 4 с рабочей кромкой логарифмической формы 12 трезубца 11 легко углубляются и рыхлят почву не только в продольной плоскости, но и в поперечной, за счет одновременной локализации напряжений не по всей поверхности рабочей кромки трезубца 11, а только в его вершин 13.

Степень крошения почвы регулируется изменением количества игл 4 на шнековой навивке 3, при этом почва не только разрыхляется, но и частично оборачивается за счет спиралевидного расположения игл 4 на шнековых навивках 3 валов 2.

Рис. 6.28. Конструктивная схема ротационного рыхлителя почвы

Частичный оборот почвы проходит в двух противоположных направлениях, в поперечной плоскости движения агрегата, за счет шнековой навивки 3 с переменной направленностью двух валов 2, при этом происходит равномерное распределение слоя почвы, который обрабатывается. При износе рыхлители 9 заменяются новыми, при помощи болтов 8.

Рис. 6.29. Конструкция рабочего органа рыхлителя почвы по бионическому подобию ноги тетерева