Введение к работе
Актуальность темы.
Уход за культурами, создаваемыми на вырубках, является одной из важнейших операций технологического процесса лесовосстановления, определяющей сохранность культур и их развитие. Эта операция выполняется в течение ряда первых лет несколько раз за сезон, и на ее долю приходится не менее 40 % всех материальных затрат на создание культур.
В настоящее время культуры на вырубках создают либо по расчищенным от порубочных остатков и пней полосам шириной 2,5 м, с расстоянием между рядами культур 5 м, либо с понижением пней до уровня поверхности почвы на всей культивируемой площади. Но в любом случае почвы остаются насыщенными корнями деревьев и кустарников, являющимися препятствиями для рабочих органов культиваторов.
В силу этих причин для ухода за культурами на вырубках применяют культиваторы с дисковыми рабочими органами (КЛБ-1,7, КДС-1,8 и др.). Диски хорошо преодолевают препятствия в виде корней и пней, практически, не забиваются почвой и растительной массой, но недостаточно полно уничтожают сорную растительность и неустойчивы по глубине обработки почвы. В результате требуется не менее чем двукратный проход культиватора по одному следу при каждом уходе. Это значительно увеличивает материальные затраты и в два и более раза срок пребывания энергетического средства (трактора) на одной операции в ущерб другим работам в хозяйстве.
Лемешные рабочие органы в виде стрельчатых лап широко применяются в паровых, пропашных, садовых и лесных культиваторах для открытых площадей, свободных от твердых включений в почве. Они устойчивы по глубине обработки и эффективно уничтожают сорняки, но им присущи недостатки: забивание растительными остатками, низкая проходимость и надежность при преодолении препятствий, необходимость применения предохранительных устройств, как это выполнено, например, на культиваторе для каменистых почв КРТ-3. Препятствия в виде корней и пней, практически, исключают применение стрельчатых лап для ухода за культурами на вырубках без изменения прочностных и геометрических параметров и использования дополнительных устройств, обеспечивающих их проходимость.
Таким образом, существует проблема, имеющая в технологическом и техническом плане большое значение, что делает тему диссертационной работы актуальной. Решение данной проблемы возможно при сочетании в одном комбинированном рабочем органе положительных свойств сферических дисков и стрельчатых лап и применении специального устройства, обеспечивающего проходимость стрельчатых лап через пониженные пни и древесные корни.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ГОУ ВПО ВГЛТА «Совершенствование технологий, машин и оборудования лесного комплекса» (№ гос. регистрации 01.2.00609242).
Цель и задачи исследования – повышение качества и экономической эффективности уходов за культурами на вырубках с пониженными пнями путем обоснования конструкции и параметров комбинированного рабочего органа культиватора. В соответствии с поставленной целью намечено решить следующие задачи:
1. Получить математические модели, описывающие динамику движения рабочих органов орудия при преодолении препятствий и в почвенной среде.
2. Обосновать оптимальные параметры комбинированного рабочего органа и предохранительного механизма для работы на вырубках с пониженными пнями, обеспечивающие высокое качество уничтожения нежелательной растительности и приемлемые прочностные характеристики с минимальной энергоемкостью.
3. Изучить процесс взаимодействия комбинированного рабочего органа с почвой и препятствиями в виде пней и корней при уходе в междурядьях лесных культур, изготовить экспериментальный образец и провести лабораторные испытания.
4. Обосновать общую схему экспериментального культиватора, оснащенного разработанными рабочими органами, и определить ожидаемый экономический эффект от его применения на вырубках с пониженными пнями.
Объектом исследования являются новые конструкции рабочих органов культиваторов, препятствия и почва.
Предмет исследований – динамика движения и агротехника рабочих органов в процессе обработки почвы при уходе за культурами на вырубках.
Методы исследований. Теоретические исследования выполнены на основе твердотельного и математического моделирования с использованием методов теоретической механики и дифференциального исчисления. Экспериментальные исследования и проверка основных теоретических положений проводились на натурных образцах рабочих органов и серийных секциях культиватора КРТ-3 в лабораторных и полевых условиях.
Научная новизна.
1. Предложены математические модели, описывающие динамику движения рабочих органов, как при преодолении пня, так и при движении в почвенной среде.
2. Установлены тип и оптимальные параметры комбинированного рабочего органа и предохранительного механизма, обеспечивающие высокие прочностные характеристики и улучшение агротехнических показателей.
3. Изучен процесс взаимодействия комбинированного рабочего органа (патент на изобретение № 2319329) с почвой и препятствиями в виде пней и корней при уходе в междурядьях лесных культур.
4. Даны рекомендации по технологии проведения уходов культиватором, оснащенным разработанными рабочими органами, и экономическая оценка эффективности его применения.
Значимость для науки заключается в развитии теории силового взаимодействия упруго закрепленных рабочих органов с препятствиями и почвенной средой, что дает возможность на стадии проектирования определить конструктивные и технологические параметры рабочих органов, позволяющие увеличить степень уничтожения нежелательной растительности и улучшить прочностные характеристики. Разработана конструкция почвообрабатывающего орудия с новыми рабочими органами.
Практическая ценность. Разработана перспективная конструкция комбинированного рабочего органа, обеспечивающая преодоление препятствий и позволяющая увеличить степень уничтожения нежелательной растительности в условиях вырубок с пониженными пнями без значительных дополнительных материальных вложений.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математические модели, описывающие динамику движения рабочих органов орудия при преодолении препятствий и в почвенной среде, позволяющие обосновать параметры рабочих органов и предохранительных механизмов.
2. Оптимальные параметры комбинированного рабочего органа и предохранительного механизма, полученные на основе математического моделирования и подтвержденные экспериментально.
3. Процесс взаимодействия комбинированного рабочего органа (патент на изобретение № 2319329) с почвой и препятствиями в виде пней и корней при уходе в междурядьях лесных культур.
4. Рекомендации по технологии проведения уходов культиватором, оснащенным разработанными рабочими органами, и экономическая оценка эффективности его применения.
Достоверность полученных результатов. Выводы диссертационной работы базируются на результатах фактического материала, полученного при проведении лабораторных и полевых испытаний. В ходе проведения лабораторных исследований учитывались свойства почвы, характер расположения препятствий и сила переднатяжения пружин предохранительного механизма. Полученные данные обрабатывались методом математической статистики с использованием программ Microsoft Excel 2003 и Mathсad 13 для персонального компьютера.
Личное участие автора заключается в определении целей и задач работы, в выполнении теоретических и экспериментальных исследований и анализа их результатов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (2006-2010 гг.), а также заседаниях кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской государственной лесотехнической академии.
Публикации. Основные научные разработки по теме диссертации опубликованы в 9 работах, включая 1 статью в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ, 4 публикации без соавторов и 1 патент на изобретение.
Реализация работы. Разработанная машина для агротехнического ухода за лесными культурами, а также результаты научных исследований были внедрены в ФГУП «Центральное опытно-конструкторское бюро лесохозяйственного машиностроения», учебно-опытном лесхозе ВГЛТА и в учебном процессе ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» при подготовке инженеров лесотехнического профиля.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений.
Общий объем работы составляет 192 страницы, из них 165 страниц основного текста и 27 страниц приложений. Работа включает 51 иллюстрацию, 8 таблиц и 109 наименований использованных источников.
