Введение к работе
Актуальность темы.
В процессе лесовосстановления и выращивания посадочного материала в лесных питомниках имеется ряд технологических операций, связанных с взаимодействием рабочих органов машин с древесными включениями в почве и их надземными частями. К таким операциям относятся подрезка корней и выкопка сеянцев и саженцев, срезание поросли второстепенных древесно-кустарниковых пород при расчистке вырубок и осветление культур, обрезка вершинок сеянцев в процессе их роста в питомнике и корчевание пней.
Эффективность подрезки корней сеянцев в процессе их выращивания доказана исследованиями и производственным опытом на примере хвойных пород. В ряде зарубежных стран (в США, Канаде, Мексике, Японии, Австралии, Новой Зеландии и ряде европейских стран) с целью обеспечения оптимального соотношения корней и кроны сеянцев, наряду с подрезкой корней, производят подрезку вершинок.
Насколько эти прогрессивные агротехнические приемы эффективны применительно к сеянцам дуба, ясеня и других лиственных пород, а также сосны обыкновенной, выращиваемых в питомниках лесостепной зоны, должны показать специальные исследования и разработка технологических приемов. Это позволит найти ответы на многие нерешенные вопросы, а также обосновать типы, параметры и режимы работы устройств для подрезки корней, обрезки вершин и выкопки посадочного материала. При этом должны быть обеспечены высокое качество среза, сохранение жизненно важных мелких корешков и их естественного контакта с почвой.
Срезание поросли второстепенных пород является энерго- и ресурсоемкой технологической операцией, поскольку она повторяется ежегодно в течение 15 ..25 лет до смыкания лесных культур. При этом поросль березы и, особенно, осины в благоприятных условиях, каковые являются в Центральном Черноземье, развивается сразу же после рубки главной породы, достигая до 150 тысяч штук на гектар высотой 1,5...2,0 м. Применяемые в настоящее время тракторные кусторезы выполнены в виде фрезерных рабочих органов и характеризуются большой энергоемкостью и низкой производительностью, поскольку поступательная скорость движения агрегата составляет всего лишь 0,8...1,1 км/ч. Применению ножевых рабочих органов препятствуют пни, оставшиеся в междурядных коридорах.
Современные корчеватели удаляют пни, создавая в их корнях напряжение растяжения и разрыва, которое в кратное число раз больше сопротивления отрыву в тангенсальном направлении, то есть вдоль волокон. Этим и объясняется необходимость применения энергонасыщенных тракторов, имеющих повышенную массу, использующих мощность двигателя через движители трактора и вал отбора; низкая производительность, разрушение экологии почв, удаление большей части плодородного верхнего слоя, образование подпневых ям и локальное заболачивание, большие материальные затраты.
Фрезерование пней исключает негативное воздействие движителей трактора и корчевателя на почву, но не снижает энергоемкость, а еще более
увеличивает. Скалывающие рабочие органы, применяемые в машинах МУП-4 и МДП-1.5, разработаны применительно к условиям мягких пород, и поэтому они не могут быть перенесены в чистом виде для дробления пней дуба, ясеня и других твердолиственных пород. В силу этих причин машины МУП-4 и МДП-1.5 не нашли применения в зоне дубрав и широколиственных лесов. Необходимы специальные исследования и разработка математического аппарата выбора оптимальных параметров рабочих органов, учитывающих физико-механические свойства древесины.
Исходя из изложенного выше, можно сделать вывод, что в отрасли лесное хозяйство существует проблема повышения качества и снижения энергозатрат в таких технологических процессах, каковыми являются выращивание посадочного материала и лесовосстановление на вырубках. Поэтому тема диссертационной работы актуальна и своевременна.
Работа выполнена в рамках госбюджетной темы «Совершенствование технологий и машин для лесовосстановления и рубок ухода в лесах и защитных лесных насаждениях ЦЧР и Северного Кавказа» (номер госрегистрации 01.2.00. 105345) и ряда хоздоговорных тем: «Формирование кроны сеянцев в питомнике» (№ 18/04 от 25 июня 2004), «Оценка различных способов корчевания пней» (№ 16/05 от 1 июня 2005 года), «Обоснование основных параметров рабочего органа машины для удаления древесно-кустарниковой растительности» (№ 17/05 от 1 июля 2005 года, «Разработка корчевателя» (№ 18/05 от 4 июля 2005 года), «Оценка энергоемкости фрезерных рабочих органов машин для понижения пней» (№ 22/06 от 1 июня 2006 года).
Цель исследований.
Целью -данной работы является разработка технологических операций и рабочих органов машин, обеспечивающих повышение качества и производительности при выращивании посадочного материала и лесовосстановлении на вырубках.
Объекты исследований.
Объектами исследований являются типы, параметры и режимы работы рабочих органов лесохозяйственных машин, используемых в технологических процессах выращивания посадочного материала и лесовосстановлении, в которых рабочие органы взаимодействуют с корнями и вершинами сеянцев, с древесной порослью второстепенных лиственных пород и древесиной пней.
Предмет исследований.
Предметом исследований является взаимодействие рабочих органов корнеподрезчиков, вершиноподрезчиков, кусторезов, машин для удаления пней с древесной растительностью.
Методы исследований.
Научные исследования проводились с использованием дифференциального и интегрального исчислений, теории вероятностей, аналитической геометрии, теоретической механики, имитационного моделирования, экономического анализа.
Экспериментальные исследования проводились как в лабораторных, так и в полевых условиях с применением современного оборудования, позво-
ляющего фиксировать различные параметры работы опытных образцов лесо-хозяйственных машин.
Обработка результатов измерений проводилась методами "математической статистики с применением современных средств вычислительной техники.
Научная новизна работы.
Разработаны технологические операции выращивания сеянцев дуба че-решчатого и сосны обыкновенной в лесостепной зоне, включающие подрезку корней дуба и сосны и обрезку вершин дуба, отличающиеся тем, что в результате их применения повышается качество и интенсивность роста сеянцев. Способ стимуляции роста и развития сеянцев защищен патентом РФ № 2275788. Получены регистрационные свидетельства на базы данных № 10426, № 10427, № 10428, № 10429.
Предложена математическая модель процесса перерезания горизонтальным лезвием корней растущих сеянцев, отличающаяся учетом всех этапов взаимодействия лезвия с корнем и динамикой процесса, что позволяет установить рациональные пределы варьирования геометрических и кинематических параметров рабочего органа корнеподрезчика. Конструкция корнепод-резчика защищена патентами РФ № 2169452, № 54715.
Разработаны математические модели взаимодействия пильного и инерционно-рубящего рабочего органа с древесной растительностью, отличающиеся учетом геометрических и кинематических параметров рабочих органов. Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005613081 - Программа для оптимизации процесса резания древес-но-кустарниковой растительности.
Обоснованы геометрические и кинематические параметры рабочих органов кусторезов и вершиноподрезчиков, отличающихся высоким качеством выполняемых технологических операций. Получены патенты РФ № 2275007, №33684, №56115.
Разработаны математические модели процесса удаления надземной части пней ножевыми и фрезерно-скалывающими рабочими органами, отличающиеся учетом всех геометрических и кинематических параметров рабочих органов.
Практическая ценность. Установленные биотехнические и прочностные параметры сеянцев лиственных пород и сосны под действием обрезки вершинок и подрезки корней являются исходными данными для проектирования и расчета рабочих органов.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию прогрессивных технологий, типа, параметров и режимов работы рабочих органов, а также разработанные компьютерные программы обеспечивают на стадии проектирования разработку машин и оборудования высокого технического уровня. Разработан, испытан и внедрен в производство комплекс машин, дополняющих действующие комплексы, характеризующиеся высокой надежностью, малой металлоемкостью и эффективным использова-
ниєм мощности энергетических средств, позволяющие получать высококачественный посадочный материал и обеспечивать его дальнейшее развитие в культурах. Основная часть полученных результатов принята конструкторскими и научно-исследовательскими организациями, включена в учебные программы Воронежской государственной лесотехнической академии.
Экономический эффект от внедрения новых технологий и комплекса машин показывает практическую значимость разработанных технологических процессов и средств механизации.
Научные положения, выносимые на защиту:
Предложенные технологические операции подрезки корней и обрезки вершин сеянцев дуба черешчатого и сосны обыкновенной, обеспечивающие повышение качества и интенсивность роста сеянцев. Способ стимуляции роста и развития сеянцев защищен патентом РФ № 2275788.
Установленные геометрические и кинематические параметры рабочих органов для подрезки корней сеянцев и саженцев, полученные на основе математического моделирования и проведения многофакторного эксперимента, обеспечивающие разработку конструкции корнеподрезчиков, защищенных патентами РФ № 2169452, № 54715.
Предложенные математические модели процессов обрезки вершин растущих сеянцев и поросли лиственных второстепенных древесно-кустарниковых пород при осветлении культур и расчистке вырубок, позволяющие производить расчеты на стадии проектирования.
4. Установленные геометрические и кинематические параметры рабочих органов вершиноподрезчика и кустореза, позволяющие качественно выполнять технологические процессы. Конструкции вершиноподрезчика и кустореза выполнены на уровне изобретения и защищены патентами РФ № 2275007, № 33684, № 56115.
5. Разработанные математические модели процесса удаления надземной части пней ножевыми и фрезерно-скалывающими рабочими органами, позволяющие получить рациональные пределы варьирования геометрических и кинематических параметров рабочих органов.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность научных результатов и основных выводов, сформулированных в диссертации, подтверждена использованием в разработках обоснованных точных и проверенных методов, сходимостью экспериментальных и теоретических результатов и апробацией полученных результатов. Полученные данные обрабатывались методом математической статистики с использованием программы Microsoft Excel для персонального компьютера.
Достоверность результатов научных исследований также подтверждается апробацией конструктивных разработок, использованием рекомендаций, ряда математических моделей и компьютерных программ при проектировании новой лесохозяйственной техники на ведущих предприятиях лесного комплекса - ФГУ ВНИИЛМ и ФГУП ЦОКБлесхозмаш.
Личное участие автора заключается в определении целей и задач работы, в выполнении научно-технических исследований и анализа их результатов.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобрение на заседаниях кафедры, научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (1997-2006 гг.), а также на ряде международных и всероссийских научных, научно-практических и научно-технических конференций:
«Научно-технические проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса» (Воронеж, 1998 г.); «Состояние и перспективы развития механизации лесного хозяйства и лесохозяйственного машиностроения в условиях рыночных отношений» (Пушкино, 2000 г.); «Лес и молодежь ВГЛТА- 2000» (Воронеж, 2000 г.); « Интеграция науки и высшего лесотехнического образования, инновационная деятельность на предприятиях лесного комплекса» (Воронеж, 2002 г.); «Проблемы и перспективы лесного комплекса» (Воронеж, 2005 г.); «Наука и образование на службе лесного комплекса (к 75-летию ВГЛТА)» (Воронеж, 2005 г.); «И.В. Мичурин и агротехнические аспекты производства плодов и овощей на современном этапе» (Воронеж, 2005 г.); «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 работ, включая 1 монографию, 15 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК, 8 патентов РФ, 10 авторских свидетельств напрограммное обеспечение и базы данных.
Реализация работы. Разработанные технологические операции выращивания посадочного материала в лесных питомниках, новые конструкции корнеподрезчика, вершиноподрезчика, кустореза, машины для удаления пней, а также результаты научных исследований были внедрены в Воронежской государственной лесотехнической академии, ФГУ ВНИИЛМ и ГУ Те-лермановское Опытное лесничество института лесоведения Российской Академии наук, ОАО «Балтийский ЛПХ», Новохоперском лесхозе.
Объём и структура диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений.
Общий объём работы составляет 453 страниц, из них 356 основного текста и 97 страниц приложений. Работа включает 179 иллюстраций, 59 таблиц и 206 наименований использованных источников, в том числе 42 иностранных.
Постоянное внимание и оказание помощи со стороны научного руководителя И.М. Бартенева и других сотрудников кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин сделали возможным завершение исследований и оформление работы в установленные сроки. Всем лицам, оказавшим внимание и поддержку, автор выражает искреннюю признательность.
