Совершенствование конструкции рабочих органов ротационных борон

Acknowledgement : The work was carried out as part of the implementation of the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation dated August 13, 2025, No 07503-2025-420/6.

Введение. В последнее время сельскохозяйственные товаропроизводители все чаще при возделывании зерновых и зернобобовых культур используют ротационные бороны-мотыги с игольчатыми рабочими органами. В зонах засушливого климата применение таких орудий обусловлено, в первую очередь, условиями сохранения влаги и обеспечения доступа воздуха к формирующимся корням культуры. Кроме того, при обработке почвы такими орудиями они показывают очень хорошие результаты в борьбе с корневой системой сорняков.

В отличие от пальцевой бороны, технологический процесс, который заключается в протягивании по поверхностному слою почвы зубьев, рабочие органы игольчатой ротационной бороны в процессе боронования почвы периодически заглубляются, прокатываются и протягиваются, вызывая интенсивное рыхление и перемешивание поверхностного слоя почвы. При этом при выходе игл из почвы, особенно при высокой скорости движения машинно-тракторного агрегата, происходит микровзрыв, который и обеспечивает эффективность использования ротационного рабочего органа. Микровзрыв разрушает структуру поверхностного слоя почвы, способствует насыщению поверхностного слоя воздухом, активирует биологические процессы в почве, разрушает и уничтожает корневую систему сорняков.

В засушливых регионах России, таких как Республика Калмыкия, Астраханская и Волгоградская области, ротационные бороны-мотыги зачастую используют в качестве предпосевной обработки почвы при посеве и возделывании аридных культур [ 1, 2 ] . При этом игольчатые бороны-мотыги обеспечивают более высокие экономические показатели, чем другие орудия для поверхностной обработки почвы. Так, данные протоколов МИС РФ позволили сделать вывод, что у игольчатых борон-мотыг производительность за час эксплуатационного времени составляет в среднем 9,6 га/ч, что в 2–3 раза превышает аналогичный показатель культиваторов и дисковых борон [3].

Ротационные бороны имеют разные конструктивные и технологические решения рабочих органов [ 4 ] . В зависимости от этого эффективность их применения варьируется в широких пределах и зависит от сочетания ряда факторов.

К таким факторам следует отнести конструктивные особенности игл, их количество, схемы расположения игл на диске, глубину обработки и другие.

Сегодня аграрному производству предлагается большой ассортимент борон ротационного типа с пассивными рабочими органами, выпуском которых занимаются как производители сельскохозяйственных машин, так и индивидуальные предприниматели. Однако вне зависимости от производителя рабочие органы ротационных борон требуют совершенствования в части оптимального сочетания конструктивных параметров и технологичности изготовления для повышения качества поверхностной обработки почвы и функциональности использования при выполнении технологической операции.

Цель исследования заключается в определении параметров ротационных рабочих органов, обеспечивающих повышение качества поверхностной обработки почвы за счет увеличения ширины рыхления.

Материалы и методы исследования. На основе информационноаналитических исследований выполнен анализ конструктивных особенностей рабочих органов ротационных борон, определены технологические преимущества различных конфигураций игл и путем использования методов аналитической геометрии получены сочетания элементов и параметров рабочих органов.

Результаты исследования и их обсуждение. Из всего многообразия ротационных борон следует выделить те из них, конструкторско-технологические особенности рабочих органов которых имеют высокую технологичность и простоту сборки, а бороны – высокий покупательский спрос у сельхозтоваропроизводителей.

Следует отметить, что рабочими органами ротационных борон-мотыг обычно являются диски с закрепленными на них зубьями или иглами, рабочие части которых отогнуты по кривой, благодаря чему снижается степень их воздействия в горизонтальном направлении на поверхность почвы [5].

Бороны-мотыги можно разделить на два класса – тяжелые и легкие.

Для тяжелых борон-мотыг характерно применение литых игольчатых дисков, собираемых в батареи и устанавливаемых под углом к направлению движения агрегата.

Легкие бороны, как правило, имеют наборные диски, размещаемые фронтально и устанавливаемые индивидуально или попарно на подпружиненных (упругих) стойках [6].

К одной из таких ротационных борон относится борона-мотыга ротационная БМР «АГРОЛЮКС» [ 7 ] производства ГК Попова (рисунки 1 и 2).

1 – игольчатое колесо; 2 – зубья Рисунок 1 – Рабочий орган БМР «АГРОЛЮКС»

1 – needle wheel; 2 – teeth Figure 1 – Working element of BMR "Agrolux"

2 – зуб; 3 – рабочая часть зуба

Рисунок 2 – Зуб рабочего органа БМР «АГРОЛЮКС» 2 – tooth; 3 – working part of the tooth Figure 2 – Working element tooth of BMR "Agrolux"

Как следует из рисунка 1, основными элементами рабочего органа БМР «АГРОЛЮКС» является игольчатое колесо 1, диаметр которого составляет 550 мм, и 16 зубьев 2. На одной стойке установлено одно игольчатое колесо 1, на котором в один ряд расположены зубья 2.

Особенностью данной ротационной бороны является то, что игольчатый диск 1 – двойной, между ними располагаются кованые зубья 2, изготовленные из закаленной Ст.45Г с профилем рабочей части в виде «лопатки» 3 (рисунок 2). Зубья

• 2    в диск 1 запрессованы и крепятся заклепками, а не гайкой, что исключает раскручивание и выпадение зубьев из колеса.

Кованые зубья 2 обладают высокой износостойкостью, поэтому борона пользуется высоким спросом у сельхозтоваропроизводителей. Тем не менее данная БМР отличается высокой трудоемкостью изготовления за счет операций прессования, заклепывания и профилирования рабочей части зуба, так как требует специальных средств и оборудования для их выполнения.

Кроме того, при поломке зуба его демонтаж и замена практически не возможны в полевых условиях и поэтому ротационное орудие требует транспортировки в мастерскую, где имеются соответствующие оборудование и приспособления.

Более простой по конструкции рабочего органа является борона-мотыга ротационная БМР-6.00.000 (ЮГ6,0) 6м (рисунки 3 и 4), изготовителем которой является союз производителей «Агроцентр Юг» [8]. В бороне использован ряд технических решений, позволяющих исключить некоторые недостатки аналогичных машин по замене в процессе эксплуатации вышедших из строя игл и, тем самым, обеспечить стабильную и качественную работу в течение всего периода функционирования агрегата (рисунок 4).

1 – диск; 2 – ступица; 3 – иглы Рисунок 3 – Рабочий орган БМР-6.00.000 (ЮГ6,0) 6м

1 – disk; 2 – hub; 3 – needles Figure 3 – Working element of BMR-6.00.000 (YUG6.0) 6m

3 – игла; 4 – выштампованный паз Рисунок 4 – Игла рабочего органа БМР-6.00.000 (ЮГ6,0) 6м

3 – needle; 4 – stamped groove Figure 4 – Working element needle of BMR-6.00.000 (YUG6.0) 6m

Из рисунка 3 видно, что игольчатый диск 1 также изготовлен двойным, а форма игл 3 (рисунок 4) выполнена таким образом, чтобы обеспечить интенсивное перемешивание почвы и её рыхление. Иглы 3 изготовлены из стали Ст.45 с закаленным наконечником на диске и установлены между дисками 1 в один ряд. Крепление игл 3 к дискам 1 осуществляется с помощью болтового соединения с самоконтрирующимися гайками. Чтобы предотвратить выпадение игл 3 из междискового пространства, дополнительно на теле игл 3 выполнен выштампованный паз 4 (рисунок 4), что исключает потерю игл 3 в случае раскручивания гаек. Все иглы 3, закрепленные при помощи самоконтрирующихся гаек, могут быть заменены в процессе эксплу- атации при износе или выходе из строя поштучно.

В отличие от БМР «АГРОЛЮКС», у БМР-6.00.000 (ЮГ6,0) 6м задняя часть каждой из игл 3 крепится к ступице игольчатого диска 2 посредством болтового соединения в нерабочей части иглы 3 самоконтрирующимися гайками, тем самым выполняя фиксирование иглы 3 в двух местах. Это обстоятельство требует дополнительных технологических операций сверления и крепления игл 3 при их установке на диск 1.

Наиболее технологичной по конструкции рабочего органа является ротационная борона-мотыга типа БМТ [ 9 ] , выпускаемая предприятием-изготовителем ООО «НИПВФ «Тензор-Т» (рисунки 5 и 6).

Оригинальность и технологичность рабочего органа бороны-мотыги ротационной типа БМТ состоит в том, что на диск 1 с помощью прижимов 2 попарно закреплены выполненные из пружинной стали иглы 3 (рисунок 5). На конце каждой из игл 3 (рисунок 6), обращенном к центру диска, изготовлено под прямым углом к ее оси колено 5, вставленное в соответствующее фиксирующее отверстие диска 1, которое имеет каплевидную форму, а их оси симметрии сонаправле-ны с осями стержней игл 3, соединяющих колена 5 игл 3 с их рабочими частями 4. При этом на каждом диске 1 объемными прижимами 2 попарно закрепленные иглы 3 (рисунок 5) могут устанавливаться как с одной стороны диска 1, так и с двух сторон.

На рабочих частях 4 игл 3 выполнена односторонняя заточка с затылочным углом а=16-24° (рисунок 6), а сами периферийные участки рабочих частей 4 игл 3 отогнуты от радиального направления на угол в от 0 до 45°.

1 – диск; 2 – прижимы; 3 – иглы Рисунок 5 – Рабочий орган бороны БМТ

1 – disk; 2 – clamps; 3 – needles Figure 5 – The working element of BMT tiller

• 3    – иглы; 4 – рабочая часть; 5 – колено Рисунок 6 – Игла рабочего органа бороны БМТ

• 3    – needles; 4 – working part; 5 – elbow Figure 6 – Needle of the working element of BMT tiller

Как установлено исследованиями [ 10-14 ] , ротационная борона-мотыга с игольчатыми рабочими органами типа БМТ является эффективным почвообрабатывающим орудием, особенно при использовании безотвальных технологий в зонах засушливого земледелия или подверженных дефляции.

Однако описанные выше наиболее распространенные конструкции рабочих органов ротационных борон имеют один общий недостаток, который заклю- чается в том, что при поверхностной обработке почвы каждый рабочий орган обрабатывает узкую поверхность поля, равную толщине зуба или диаметру иглы, в связи с этим поверхность почвы, расположенная между дисками рабочих органов, остается необработанной. При этом ступицы, на которых установлены диски, имеют достаточно большую ширину за счет установки в них двух подшипников качения, в несколько раз превышающую ширину обработки поверхно- сти почвы рабочими поверхностями исполнительных органов.

Из описанного выше общего недостатка борон-мотыг следует, что в процессе выполнения технологической операции боронования с использованием ротационных борон площадь поверхностной обработки почвы в части уничтожения сорняков в фазе нитки не является эффективной. В результате этого происходят процессы, благоприятствующие не только развитию культурных растений, но и сорняков. В случае обильных осадков, зачастую после ротационного весеннего боронования всходов, в частности озимой пшеницы, сельхозтоваро- производители вынуждены проводить гербицидную обработку полей.

Для повышения эффективности борьбы с сорняками за счет увеличения ширины рыхления нами был модернизирован рабочий орган ротационной бороны БМТ-6 и выполнены расчеты его конструктивных элементов, обеспечивающих наиболее полное рыхление поверхностного слоя почвы.

Совершенствование конструкции рабочего органа ротационной бороны-мотыги БМТ выполнено согласно патенту на изобретение RU 2826076 C1 [ 15 ] (рисунок 7) и заключается в следующем.

1 - диск рабочего органа; 2 и 2 ’ - первые из двух игл пары соответственно с левой и правой стороны диска по ходу движения агрегата; 3 и 3 ‘ - вторые из двух игл пары соответственно с левой и правой стороны диска по ходу движения агрегата; 4 и 5 – рабочие части соответственно 2-й и 3-й игл, установленных с левой стороны диска по ходу движения агрегата; 4 ’ и 5 ’ - рабочие части соответственно 2 ' -й и 3 ' -й игл, установленных с правой стороны диска по ходу движения агрегата; 6 и 6 ’ - установочные колена соответственно 2-й и 3-й игл, установленных с левой стороны диска по ходу движения агрегата, и 2 ' -й и 3 ' -й игл, установленных с правой стороны диска по ходу движения агрегата

Рисунок 7 – Схема расположения игл на диске ротационной бороны-мотыги

1 – disk of the working element; 2 and 2' – the former two needles of the pair, respectively, on the left and right sides of the disk in the direction of travel of the unit; 3 and 3' – latter two needles of the pair, respectively, on the left and right sides of the disk as the unit moves; 4 and 5 – the working parts, respectively, of the 2-nd and 3-rd needles, installed on the left side of the disk as the unit moves; 4' and 5' – the working parts, respectively, of the needles of the 2-nd and 3-rd needles, installed on the right side of the disk as the unit moves; 6 and 6' – the installation elbows, respectively, of the 2-nd and 3-rd needles, installed on the left side of the disk as the unit moves and the 2'-nd and 3'-rd needles, installed on the right side of the disk as the unit moves Figure 7 – Diagram of the arrangement of needles on the disk of a rotary tiller-hoe

С помощью прижимов (рисунок 5) иглы 2 и 3 попарно закреплялись с левой стороны диска 1 по ходу движения агрегата, а иглы 2 ’ и 3 ’ также попарно закреплялись с правой стороны диска по ходу движения агрегата (рисунок 7). Следует отметить, что установка одной пары игл чередовалась. Сначала пара игл устанавливалась с левой стороны диска, а затем с правой, в связи с чем особенностью данной конструкции является установка четного количества пар игл.

Кроме того, согласно [ 15 ] рабочие части 5 и 5 ’ вторых игл 3 и 3 ’ каждой пары были отогнуты на угол ^Y от радиального направления.

Угол отгиба Y рабочих частей вторых игл каждой пары определяли из условия сплошной обработки почвы между двумя иглами пары. Из рисунка 7 видно, что при выполнении технологической операции отгиба рабочей части иг- лы её окончание будет описывать дугу, которую при малых значениях угла Y можно заменить прямой, перпендикулярной рабочей части второй иглы. Тогда из abc получим у = arctg

^dигл – диаметр иглы, мм;

где мм.

была

l ¹ – длина рабочего участка иглы,

В результате такой модернизации увеличена ширина обработки по- верхности почвы, которая позволяет повысить эффективность борьбы с нитевидными сорняками по всей ширине рабочего органа ротационной бороны.

На рисунке 8 представлен модернизированный рабочий орган ротационной бороны-мотыги типа БМТ.

Такая модернизация рабочего органа ротационной бороны приведет к уменьшению количества уколов на почву за один оборот диска рабочего органа, а следовательно, возникает необходимость увеличения количества игл, закрепляемых на одном диске. В связи с этим нами была предпринята попытка проанализировать параметры рабочего органа ротационной бороны с целью обоснования возможности такой модернизации без изменения количества уколов на почву и соответственно улучше- ния качества рыхления.

В исходном варианте ротационная борона-мотыга БМТ-6 обычно изготавливается с иглами, диаметр которых варьируется в пределах свыше 8 мм и не бо- лее 16 мм [7].

Очевидно, что для обеспечения прочности и технологичности изготовления ротационного рабочего органа поч- вообрабатывающего орудия каждому количеству игл должен соответствовать определенный диаметр иглы и диаметр окружности, проходящей через центры фиксирующих каплевидных отверстий для установки колен игл.

Для определения сочетания диаметра окружности, проходящей через центры фиксирующих отверстий установки колен игл в зависимости от коли- чества и диаметра игл, рассмотрим схему рабочего органа ротационной бороны БМТ-6, представленную на рисунке 9.

Как следует из рисунка 9, диаметр окружности, проходящей через центры каплевидных отверстий, в которые устанавливаются колена игл, можно определить по зависимости

, k, • z • d

1 игл do = n , (2) где d0 – диаметр окружности, проходящей через центры фиксирующих каплевидных отверстий для установки колен игл, мм;

к 1 - коэффициент запаса прочности стенок каплевидных отверстий при напряжениях смятия, зависящий от расстояния s между каплевидными отверстиями, ^k 1 = ^{2 - 2,5} ;

z – количество игл, установленных на диске, шт.;

d ^игл – диаметр иглы, мм.

z • d u = П

• ^d0      ^k1 .               (3)

Приняв коэффициент запаса прочности стенок каплевидных отверстий равным k i = ^2,25 - среднее значение, получаем

• z • d u = ^1,4 • d o .                  (4)

Таким образом, если диаметр окружности, проходящей через центры каплевидных отверстий, в которые устанавливаются колена игл, будет постоянным (это обстоятельство вызвано техно- логичностью изготовления диска рабочего органа ротационной бороны-мотыги), то каждому количеству игл, расположенному на диске рабочего органа, будет соответствовать свой диаметр иглы.

На рисунке 10 представлены теоретические и рекомендуемые значения количества игл на диске в зависимости от её диаметра при постоянном диаметре окружности, проходящей через центры каплевидных отверстий для установки колен игл, равном d o = ¹⁸⁰ мм , а также линия тренда.

Рисунок 10 – Зависимость количества игл на установочном диске ротационной бороны БМТ-6 от диаметра иглы

Figure 10 – Dependence of the number of needles on the installation disk of the BMT-6 rotary tiller on the diameter of the needle

Из рисунка следует, что рекомендуемые значения количества игл в зависимости от их диаметра практически совпадают с теоретической кривой, по- лученной по формуле (3). При этом линия тренда описывается степенной зависимостью, близкой к линейной при R2 = 0,9933

Выводы. Проведенный анализ рабочих органов ротационных борон показал, что все они имеют один общий недостаток, связанный с недостаточной площадью поверхности почвы, подвергаемой боронованию, за счет незначительной ширины обработки исполнительным органом.

Конструкция ротационной бороны-мотыги типа БМТ является универсальной и позволяет провести модернизацию, направленную на увеличение ширины боронования каждым рабочим органом.

Проведенной теоретической проверкой установлено, что при модернизации ротационной бороны БМТ диаметр окружности, проходящей через центры каплевидных отверстий, в которые устанавливаются колена игл, следует принять d o = ¹⁸⁰мм , количество игл определить по зависимости (4), а угол отгиба ^Y вторых игл каждой пары - по формуле (1).