Введение к работе
Актуальность исследования. Одним из перспективных способов лесовосстановления и лесовыращивания является создание лесных культур крупномерными саженцами, пересаживаемыми с комом почвы. Этот способ создания насаждений находит также широкое применение при озеленении городов, создании ландшафтного дизайна.
Поэтому в лесокультурном производстве и озеленительных работах начинают во всё больших масштабах использовать крупномерный посадочный материал, который хорошо приживается на новом месте и более устойчив в конкуренции с травяной растительностью, при этом ликвидируется сезонность в посадочных работах и сокращается объем работ по подготовке почвы.
Однако, не считая тросовой подрезки кома и использования подъемных кранов, процесс выкопки посадочного материала крупных саженцев чаще всего остается немеханизированным и самым трудоемким.
Саженцы с комом почвы выкапываются вручную с помощью обычных лопат и топоров. Эти инструменты в работе крайне неудобны и непроизводительны. Ими разрушается корневой ком крупномерных саженцев, корневая система повреждается, что отрицательно сказывается на приживаемости и сохранности посадочного материала.
Значительные затраты труда и людских ресурсов идут и на подготовку посадочных ям для последующей посадки. Для этого применяются различные модификации ямокопателей, экскаваторов и просто ручной труд – рабочие лопатами выкапывают ямы необходимого размера.
В России для выкопки саженцев с комом земли до сих пор нет серийно выпускаемых машин. За рубежом (например, в Германии) имеется целая серия выкопочных машин разных видов и модификаций для различных размеров выкапываемого крупномерного материала.
Так как данная технология выкопки и создания ландшафтного дизайна, а также озеленения, перспективна, необходимо провести дополнительные исследований и создать отечественную машину для выкопки крупномерного посадочного материала с комом почвы, способную одновременно создавать посадочные ямы.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» «Совершенствование технологий, машин и оборудования лесного комплекса».
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является повышение качества и эффективности выкопки саженцев с комом почвы путем обоснования формы и геометрических параметров рабочего органа выкопочной машины.
В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решаются следующие задачи:
1. Разработка конструктивно-технологической схемы выкопочной машины;
2. Разработка математической модели взаимодействия рабочего органа выкопочной машины с почвой и корнями саженцев;
3. Проведение теоретических и экспериментальных исследований процесса выкопки саженцев с комом почвы;
4. Определение оптимальных параметров рабочего органа выкопочной машины;
Предмет и объект исследования. Объектом исследования являются рабочий орган выкопочной машины, корни саженцев, почва.
Предметом исследования являются математическая модель, методы и алгоритмы поиска оптимальных конструктивных и технологических параметров выкопочной машины.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретические исследования базировались на математическом моделировании взаимодействия рабочего органа выкопочной машины с почвой и корнями саженцев. Решение дифференциального уравнения осуществлялось с применением численного интегрирования на ЭВМ. Обоснованность и достоверность теоретических результатов обеспечиваются сопоставлением с данными лабораторных и производственных экспериментов. Полученные данные обрабатывались с использованием программ Excel, Statistica 6, MatLab 7.
Научная новизна результатов работы.
1. Обоснованы общие параметры конструктивно-технологической схемы выкопочной машины, отличающиеся тем, что рабочий орган выполнен в виде двух треугольников, направленных острыми углами в сторону выкапываемого саженца, а задняя часть рабочего органа выполнена в виде полуковша.
2. Разработана математическая модель процесса взаимодействия рабочего органа выкопочной машины с почвой и корнями саженцев, отличающаяся учетом влияния параметров рабочего органа на силовые и качественные показатели процесса.
3. Получены закономерности взаимодействия рабочего органа с почвой и корнями саженцев, отличающиеся учетом силовых показателей рабочего процесса и динамики рабочего органа с различными геометрическими параметрами.
4. Обоснованы геометрические параметры рабочего органа выкопочной машины, отличающиеся оптимальными значениями, полученными по критерию силовых показателей процесса выкопки саженцев с комом почвы.
Научные результаты, выносимые на защиту:
-
Конструктивно-технологическая схема выкопочной машины, позволяющая повысить качество процесса выкопки саженцев с комом почвы.
-
Математическая модель процесса взаимодействия рабочего органа выкопочной машины с почвой и корнями саженцев, позволяющая описать процесс выкопки саженцев с комом почвы.
-
Закономерности взаимодействия рабочего органа с почвой и корнями саженцев, позволяющие оценить силовые показатели рабочего процесса и его динамику в зависимости от различных геометрических и эксплуатационных параметров рабочего органа выкопочной машины.
4. Обоснованные геометрические параметры рабочего органа выкопочной машины, позволяющие повысить эффективность процесса выкопки саженцев с комом почвы.
Теоретическая и практическая значимость работы. Рекомендации, алгоритмы и программа для ЭВМ, разработанные на основе математического моделирования использованы в ООО «ИНВИТРО», в ООО «СТАЛЬ-СИНТЕЗ», в конструкторском бюро «ЦОКБлесхозмаш», в учебно-опытном лесхозе ФГБОУ ВПО «ВГЛТА», в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» при подготовке инженеров лесотехнического профиля.
Практическая значимость заключается в установлении влияния конструктивных и эксплуатационных параметров рабочего органа на процесс выкопки саженца с комом почвы; получении математической модели процесса взаимодействия рабочего органа выкопочной машины с почвой и корнями саженцев; разработке новой конструкции выкопочной машины, новизна которой подтверждена патентом на полезную модель № 99277.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства, (критерии п. 7 «Положение о порядке присуждения ученых степеней» Минобрнауки России).
Апробация и реализация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (2009-2012 гг.), на технических советах ЦОКБлесхозмаш, заседаниях кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской государственной лесотехнической академии, всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2010», всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям «Эврика-2011», всероссийских и региональных молодежных научных конференциях «У.М.Н.И.К.».
Публикации. Основные научные разработки по теме диссертации опубликованы в 13 работах, включая 3 статьи в изданиях центральной печати, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 1 патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы составляет 181 страницу машинописного текста, включающего 149 страниц основного текста, 23 таблицы, 87 рисунков.
