Обоснование параметров устройства для выкопки посадочного материала с прикорневой глыбкой

Лесное законодательство Российской Федерации направлено на обеспечение рационального использования лесов, их охрану, защиту и воспроизводство, исходя из принципов неистощительного научно обоснованного многоцелевого лесопользования [45].

Сохранение лесов — одна из важнейших экологических проблем и необходимое условие существования человечества, что было подчеркнуто на XX Мировом Конгрессе ИЮФРО в 1995 г. Лес обладает способностью самовосстановления, но интенсивное вовлечение его в рубку ведет к изменению сложившихся лесорастительных условий.

Лесовосстановление тесно связано с правилами и способами рубок леса, технологий лесозаготовок и практикой их ведения. Известный тезис Г. Ф. Морозова «Рубка-синоним возобновления» может и должен пониматься однозначно: нельзя рубить лес такими способами, при которых не обеспечивается его успешное возобновление [64].

Основным способом лесовосстановления является искусственное лесовы-ращивание, с помощью которого создается 80% насаждений. Для этого сегодня требуется 5 млрд. сеянцев и саженцев, 95% которых выращивается в питомниках открытого грунта. По общему объему лесные питомники удовлетворяют потребности лесного хозяйства, но по ассортименту, качеству и затратам на выращивание посадочного материала имеется значительное отставание от современного мирового уровня. Причинами малой эффективности лесных питомников является низкий уровень механизации посевных работ и невысокое качество посева из-за использования устаревших технологий и технических средств [65, 66].

В лесокультурном производстве применяются в качестве посадочного материала сеянцы и саженцы с обнаженной и закрытой корневой системой. В практике получили распространение сеянцы и саженцы с закрытой корневой системой, выращенные в контейнерах из пластиков и бумаги, которые представляют собой емкости в виде капсул, стаканчиков, трубок [6, 91].

Использование посадочного материала с закрытой корневой системой выгодно отличается от посадочного материала с обнаженной корневой системой. Посадочный материал с закрытой корневой системой лучше приживается в неблагоприятных условиях произрастания, так как при транспортировке и посадке корни не подсыхают, не повреждаются, не теряют контакта с субстратом, а растение на первое время обеспечено влагой и питательными веществами. Работы, которые проводились в Республике Марий Эл по выращиванию саженцев ели и сосны с закрытой корневой системой, показали, что приживаемость культур ели, созданных на свежей вырубке, составила 99,1%, сосны — 97,6%. Приживаемость культур ели, созданных в это же время свежевыкопанными сеянцами с открытой корневой системой, хранившимися до посадки в леднике, составило — 42,4% и 58,3% [15].

В практике лесовосстановления накоплен опыт использования в качестве посадочного материала дичков. При этом отсутствуют затраты на выращивание культур. Посадка в весенний период дичков ели высотой около 0,5 м в возрасте 10 лет на необработанной почве производилась в двух вариантах: с глыбкой и обнаженной корневой системой, и дала следующие результаты. При посадке с глыбкой приживаемость составила 97,5%, прирост 1,6 см (на следующий год он достиг 6,4 см), а с оголенной корневой системой соответственно — 76,6% и 0,9 см [71,93].

Создание лесных насаждений посадочным материалом с закрытыми корнями дает целый ряд лесоводственно — экономических преимуществ по сравнению с традиционными лесокультурными технологиями, а именно:

— повышение приживаемости лесных культур и улучшение их роста;

— частичное исключение таких трудоемких операций, как обработка почвы и агротехнический уход за посадками;

— снижение густоты посадок.

В условиях перехода к рыночным отношениям предприятий лесной промышленности важнейшим источником улучшения их хозяйственной деятельности может являться более полная механизация технологических процессов возобновления леса.

Анализ литературных источников показывает, что существующие устройства для выкопки подроста или имеют сложную конструкцию, или не могут обработать с одной рабочей позиции несколько штук посадочного материала, или не могут после выкопки доставить посадочный материал на платформу для дальнейшей его транспортировки. Все это делает их применение неэффективным.

Механизация процессов выкопки посадочного материала с прикорневой глыбкой могла бы решить многие проблемы, в том числе и использование дичков [71, 91] для лесовыращивания. Поэтому создание устройства для выкопки посадочного материала с прикорневой глыбкой является актуальной проблемой, представляющей научный и практический интерес.

При создании устройства для выкопки посадочного материала использовались конструктивные аналоги, применяемые в лесном хозяйстве. Слабая теоретическая база для научного обоснования конструкции, параметров и режимов работы устройств для выкопки посадочного материала препятствует их оптимальному выбору.

Цель работы — разработка методики расчета процессов выкопки посадочного материала с прикорневой глыбкой, обоснование параметров и испытание опытного образца выкапывающего устройства, позволяющего существенно повысить эффективность лесовосстановления.

Научная новизна работы. Впервые составлена классификационная схема способов выкопки по кинематике, динамике перемещения рабочих органов, геометрии режущей кромки, а также устройств и орудий для выкопки посадочного материала. На основе современных положений механики сплошных и зернистых сред предложена новая методика определения силовых и энергетических характеристик отделения полусферического объема на основе введения коэффициента энергии связи частиц грунта.

Сравнительный анализ теорий резания, копания, наполнения ковша и формирования призмы волочения позволил получить новую формулу для расчета усилия выкопки полусферической глыбки.

Впервые разработаны математические модели процессов взаимодействия устройства для выкопки посадочного материала с грунтом на основе теории жесткого штампа, действующего на упругую полуплоскость.

В результате проведенных экспериментальных исследований впервые установлена связь между сдвигающим напряжением ножей криволинейной формы и уплотняющим нормальным напряжением.

По итогам выполненной работы на защиту выносятся следующие положения:

1) классификационная схема способов выкопки по динамике, кинематике и перемещению рабочих органов, геометрии режущей кромки оборудования, а также устройств и орудий для выкопки посадочного материала;

2) математическая модель формирования суммарного сопротивления грунта, включающего силу сопротивления резания, наполнения ковша и кинематического сопротивления;

3) методика расчета усилий резания с учетом влияния внутреннего трения и сцепления грунта на сдвиговые напряжения при смещении слоев по водяной смазке, образуемой при разрушении скелета грунта в области сдвига;

4) результаты экспериментальных исследований по определению величины напряжения сдвига при резании грунта, величины суммарного сопротивления разрушения грунта рабочими органами криволинейной формы при изменении угла раскрытия ножей, глубины их погружения, изменении влажности и типа грунта;

Научная и практическая ценность работы. Полученные в диссертационной работе математические модели расчета усилий дополняют теорию резания грунтов в части применения криволинейных полусферических ножей, позволяют осуществлять разработку и конструирование устройств для выкопки по8 садочного материала. Испытанный опытный образец устройства может служить основой для серийного производства агрегатов для искусственного лесо-восстановления.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при проектировании устройства для выкопки посадочного материала с прикорневой глыбкой, включенного в состав навесного оборудования трактора «Беларусь» и переданы в отдел главного конструктора ОАО ЙЗЛ (фирма ЙЗЛ) для проектирования и изготовления опытной серии устройств (приложение 5).

Апробация. Результаты проведенных исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на научных конференциях МарГТУ (Йошкар-Ола,.

1995. 1998 гг.): международной научно-практической (Йошкар-Ола, 1999 г.), научно-технической (Екатеринбург 1999 г.), Всероссийской научно-практической (Воронеж, 1999 г.) конференциях.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ.

Выводы.

1. Производственные испытания и лабораторные исследования показали, что связь горизонтальных и вертикальных силовых факторов осуществляется в соответствии со схемой, предложенной проф. Г. И. Покровским.

2. Экономический эффект от внедрения предлагаемого устройства для выкопки был определен на основании использования результатов исследований в Мушмаринском лесопитомнике республики Марий Эл.

3. Предварительные и производственные испытания опытного образца показали возможность механизации процессов выкопки подроста с прикорневой глыбкой.

Заключение

.

Результаты выполненных теоретических, экспериментальных и лабораторных исследований по выкопке посадочного материала с прикорневой глыбкой позволяют сделать следующие выводы и рекомендации:

1) предложенная классификация оборудования, устройств и орудий для выкопки по динамике и кинематике, характеру перемещения рабочих органов, геометрии режущей кромки позволяет создавать и проектировать новые технические решения в области выкопки посадочного материала;

2) анализ литературных источников позволил выявить признаки и параметры елового подроста, его корневой системы, которые соответствуют требованиям приживаемости и получения в дальнейшем качественного древостоя: возраст 5−16 летдиаметр стволика у корневой шейки 0,035 м.- предельно допустимый размер глыбки — 0,35 м.- высота выкапываемого подроста в пределах 1−1,5 м.;

3) на основе полученных признаков и параметров подроста (предмета труда) установлено преимущество использования устройства рабочего органа в форме полусферических ножей перед другими техническими решениями для сохранения корневой системы с прикорневой глыбкой;

4) разработанная методика учета влияния внутреннего трения и сцепления грунта на сдвиговые напряжения при смещении слоев по водяной смазке, образуемой в результате разрушения скелета грунта в области сдвига, рекомендуется для расчета параметров резания грунтов с различными состояниями влажности;

5) энергетическая модель отделения полусферической глыбки от массы грунта на основе удельной энергии отрыва элементов грунта в плоскости резания позволяет определить энергетические затраты на осуществление процесса выкопки;

6) полученная на основе изучения характера сопротивления грунта формула для удельного сопротивления резанию ножами с изогнутым лезвием может быть использована для расчета устройств со сложной криволинейной поверхностью;

7) предложенная методика вычисления вертикальной и горизонтальной составляющих силы сопротивления в зависимости от внутренних напряжений в грунте, рекомендуется для расчета нагрузок на гидропривод ножей и стрелу манипулятора при изменении скорости копания, влажности и плотности грунта;

8) сравнительный анализ результатов теоретических положений с данными экспериментальных исследований показал совпадение с точностью до 5%:

— величины напряжения сдвига, соответствующего сцеплению грунта (С=0,012 МПа);

— величины суммарного сопротивления грунта разрушению полусферическими ножами при изменении угла раскрытия ос от 108° до 0° для легкого и тяжелого суглинка в диапазоне влажностей от 20 до 40% и глубин погружения ножей от 0 до 0,18 м.;

9) спроектирован и изготовлен опытный образец устройства для выкопки посадочного материала с прикорневой глыбкой и проведены испытания в лабораторных и производственных условиях. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании различных устройств, применяемых в лесном и садово-парковом хозяйствах;

10) испытания в производственных условиях экспериментального образца устройства для выкопки посадочного материала показали возможность машинизации выкопки подроста с прикорневой глыбкой;

11) на основании сравнения технико-экономических показателей разработанного устройства для выкопки с полусферическими ножами с.

114 базовым объектом — выкопочным орудием ВМ-1,25 (НВС-1,2) при использовании одного базового агрегата МТЗ-80 показали, что годовой экономический эффект равен 29 200 рублей в год.