Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 8
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 25
1.1. Методы борьбы с сорняками и их эффективность 25
1.1.1. Классификация методов 25
1.1.2. Биологический метод 27
1.1.3. Химический метод 29
1.1.4. Контактный способ химического метода 33
1.2. Лесоводственная эффективность химического ухода за лесными культурами 35
1.3. Влияние гербицидов и арборицидов на лесную среду 38
1.4. Специфика борьбы с сорняками в лесных питомниках 41
1.5. Анализ конструкций машин контактного типа 45
1.6. Анализ исследований по обоснованию параметров машин для химического ухода 62
1.7. Анализ исследований по обоснованию материала покрытия контактора 74
1.8. Анализ исследований физико-механических свойств
растений 80
1.9. Выводы 85
1.10. Цели и задачи исследований 86 Стр.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СОРНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ 88
Анализ сил реакции растений, возникающих при контактной обработке 88
Анализ сил, действующих на частицу препарата на растении 90
Исследование колебаний стволиков нежелательной древесной растительности 97
Исследование изгиба растений 113
Выводы 126
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СОРНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ 127
Методика экспериментальных исследований физико-механических свойств нежелательной древесной растительности 127
Методика экспериментальных исследований колебаний растений 136
Результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств нежелательной древесной растительности 138
Исследование формы стволиков древесных растений 146
Определение приведенного модуля упругости растений статическим методом 156
Анализ параметров колебаний древесной растительности 163 Стр.
Определение модуля упругости стволиков динамическим методом 170
Исследование возможных потерь рабочей жидкости с поверхности растений при контактном способе 172
Выводы 177
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ПОКРЫТИЯ КОНТАКТОРА 179
Исследование процесса переноса жидкости в покрытии контактора 179
Исследование механизма вытеснения жидкости из покрытия рабочего органа 182
Исследование потерь препарата из покрытия контактора 189
Анализ сил, действующих на частицу жидкости в покрытии барабана 189
Влияние параметров рабочего органа и свойств материала и рабочей жидкости на потери препарата 192
Выводы 202
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ПОКРЫТИЯ КОНТАКТОРА 203
Методика лабораторных исследований распределения радиусов эквивалентного капилляра материала покрытия 203
Методика лабораторных исследований потерь жидкости из материала покрытия контактора 206
Методика-исследования механизма вытеснения жидкости из покрытия при его деформации сжатия 210 Стр.
5.4. Методика изучения прочностных свойств материала рабочей поверхности 212
5.5. Результаты исследования пористости материала покрытия 214
5.6. Результаты лабораторного исследования потерь жидкости из материала покрытия контактора 217
5.7. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований потерь жидкости из покрытия барабана 225
5.8. Результаты изучения прочностных свойств материала 227
5.9. Результаты лабораторного исследования механизма вытеснения жидкости из материала покрытия 229
5.10. Выводы 234
6. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ МАШИН ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО УХОДА КОНТАКТНЫМ СПОСОБОМ В ЛЕСНЫХ ПИТОМНИКАХ И КУЛЬТУРАХ 235
6.1. Обоснование технологической схемы машины для химухода за лесными культурами 235
6.2. Обоснование технологической схемы машины для химухода за посадочным материалом 239
6.3. Моделирование экологически чистой машины 241
6.4. Обоснование направления вращения барабана 247
6.5. Обоснование способа и параметров питания контактора 2
6.5.1. Исследование процесса питания барабана 251
6.5.2. Исследование потерь жидкости при питании контактора 254
6.6. Определение критической угловой скорости барабана 260 Стр.
Установление функциональной зависимости нормы расхода пестицидов при контактном способе 262
Исследование кинематики рабочего органа 264
Выводы 268
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАШИН ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО УХОДА ЗА ВЫРАЩИВАЕМЫМ ПОСАДОЧНЫМ МАТЕРИАЛОМ И ЛЕСНЫМИ КУЛЬТУРАМИ 269
Методика полевых исследований машины для ухода за лесными культурами 269
Определение начальной влажности материала покрытия 278
Результаты полевых исследований машины для ухода за лесными культурами 280
Анализ экологической безопасности нанесения арборицида на древесную растительность 284
Анализ результатов исследований и обоснование рациональных параметров рабочего органа 286
Методика полевых исследований машины для ухода за выращиваемым посадочным материалом 287
Результаты полевых исследований машины для ухода за выращиваемым посадочным материалом 292
Выводы 299
ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ 300
Создание машины для химического ухода за культурами 300
Создание машины для химического ухода в лесных питомниках 308 Стр.
3. Внедрение результатов исследований 313
4. Расчет экономической эффективности 317
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 318
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 321
ПРИЛОЖЕНИЯ 344
Приложение 1 344
Приложение 2 391
Приложение 3 398
Приложение 4 401
Приложение 5 404
Приложение 6 405
Приложение 7 413
Приложение 8 420
Приложение 9 4
Введение к работе
Актуальность проблемы. Федеральная Целевая Программа «Экология и природные ресурсы России (2002-2010)», утвержденная Постановлением Правительства РФ (№ Пр-860 от 7 декабря 2001 г.), предусматривает ряд неотложных мер по воспроизводству лесов России. Лесовосстановительные мероприятия намечены на площади 6,9 млн. га, лесоразведение — на 160 тыс. га. Для выполнения Программы лесовосстановления лесного фонда в период с 2002 по 2010 гг. планируется ежегодное выращивание лесопосадочного материала в количестве, в среднем 1370 млн. шт. Такие объемы требуют существенного наращивания темпов лесопитомнического производства.
Процессы производства посадочного материала высокозатратны, длительны и отличаются многоступенчатостью технологических циклов. Большая доля затрат приходится на борьбу с сорной растительностью. Ее выполняют на разных этапах лесовыращивания и на различных объектах, в том числе в питомниках, на лесосеменных участках, плантациях, в культурах, молодняках естественного происхождения и т.д. Во всех названных случаях, чтобы сохранить и вырастить ценные деревья и кустарники, нужно удалить сорные и менее ценные растения, что сопряжено с большими затратами материальных ресурсов. Так, в лесных питомниках открытого грунта затраты на борьбу с сорняками могут достигать 70...80 % от общих затрат [203]. Аналогичная ситуация имеет место и в лесных культурах, закладываемых и выращиваемых на вырубках и гарях с относительно богатыми почвами или на месте малоценных древостоев в порядке их реконструкции.
Применяемый в настоящее время механический метод ухода, включающий в себя подрезание, вычесывание и скашивание сорняков, является наиболее распространенным как в сельском; так и лесном хозяйстве. Недостатком его являются низкая эффективность, высокая кратность проведения уходов. По сравнению с механическими способами устранения сорных растений технологии химического ухода за посадочным материалом и лесными культурами имеют следующие преимущества: простота применения, доступность, высокая эффективность, быстрота действия и экономичность. Химический метод позволяет поднять производительность труда при проведении таких работ в несколько (а иногда — и в десятки) раз. В настоящее время без помощи пестицидов невозможно сберечь растения от вредящих им организмов [37]. Другие способы их защиты (в том числе биологический) дают положительный результат в ограниченном числе конкретных случаев.
Однако применение для борьбы с сорняками традиционных технологий химического метода (опрыскивание) имеет и свои недостатки. По данным отечественных и зарубежных исследователей потери рабочего раствора при опрыскивании полевых культур существующей техникой составляют 50...80 % от дозы внесения [156, 167, 194, 199, 208]. Учитывая высокую стоимость теряемых препаратов и вред, наносимый ими окружающей среде, можно утверждать, что применяемый способ опрыскивания и существующая техника далеки от совершенства.
Попытки модернизировать способ опрыскивания и устройства для его осуществления (малообъемное и ультрамалообъемное опрыскивание) несколько снижают потери, однако совсем их не устраняют, несмотря на значительное усложнение технических устройств, их удорожание и усложнение эксплуатации [190].
Поэтому большого внимания заслуживают те технологии и средства механизации, которые позволяют сократить или полностью исключить недостатки опрыскивания.
Выбор способа применения веществ, технического средства и технологии в целом определяется механизмом взаимодействия препарата и растения. Особенностью в действии гербицидов является их способность к проникновению в растения через покровные ткани листа и стебля и последующий перенос действующего вещества по растению током веществ. Такой механизм проникновения делает возможным локальное смачивание поверхности растения в виде пленки раствора для достижения того же эффекта действия препарата, что и при нанесении в виде капель при опрыскивании.[110].
Известен способ обработки растений плантицидами, заключающийся в нанесении препарата на растения при их контакте (соприкосновении) с рабочим органом машины, имеющим пористые эластичные элементы, пропитанные раствором гербицида. Способ получил название контактного.
По сравнению с опрыскиванием этот способ исключает потери препарата за счет сноса ветром и выпадения- на почву, значительно сокращает нормы расхода и практически не допускает загрязнение окружающей среды [190].
При использовании гербицидов и арборицидов. сплошного действия он позволяет обеспечить селективное воздействие на культуры механически, путем нанесения раствора на нежелательную растительность при минимальном контакте с культурами [ПО, 222]. Особенно эффективен этот способ в условиях неравномерной засоренности, а также в. редких древостоях, где сплошное опрыскивание приводит к чрезмерному загрязнению почвы.
Но до настоящего времени контактный способ в нашей= стране не нашел распространения. Основной причиной этого является отсутствие технологических регламентов и машин для применения гербицидов и арборицидов в лесных насаждениях этим способом.
Отсутствие в лесной отрасли специализированной техники по применению химических средств защиты растений в,специфических условиях лесохо-зяйственного комплекса приводит к неоправданным потерям лесохозяйствен-ной продукции и существенному сдерживанию темпов роста воспроизводства лесных ресурсов. Так реальные показатели сохранности лесокультур составляют 40...60%, а во многих случаях - 20...30%. Велика доля ручного труда (до 70% всего рабочего времени), особенно в процессе .ухода за посевами и посадками в посевных и школьных отделениях лесных питомников. Значительная часть выращиваемого посадочного материала гибнет при ручных прополках (в лесопитомниках до 60%), а также от вредителей и сорняков в лесокультурах и плантациях.
В большинстве развитых стран, несмотря на значительную наукоемкость и необходимость больших капиталовложений, одной из сфер экономической деятельности считается создание специализированной техники для лесного хозяйства, поиск эффективных химических средств по уходу за растениями, разработка на этой основе новых малозатратных технологий по воспроизводству и рациональному использованию лесных ресурсов. Актуальность таких работ в нашей стране обусловлена с одной стороны необходимостью интенсификации лесохозяйственного производства России на основе, прежде всего отечественных разработок, и с другой стороны повышением конкурентоспособности российских технологий на мировых рынках.
Технологии защиты хозяйственно ценных пород на основе применения новых машин для,контактного избирательного нанесения гербицидных препаратов имеют широкую востребованность в лесной отрасли, в лесопарковом, городском жилищно-коммунальном хозяйстве, при проведении озеленительных, рекреационных работ и воспроизводстве лесных ресурсов в Центральном, Приволжском и других федеральных округах со сходными лесорастительными условиями.
Исходя из этого и потребности лесохозяйственного производства, появилась необходимость выполнения исследований по совершенствованию технологий и созданию экологически безопасных машин для ухода за сеянцами, саженцами и лесными культурами.
Целью исследования является совершенствование технологий на основе создания новых средств механизации для химического ухода в лесных питомниках и культурах.
Объектами исследований являются сорная травянистая и нежелательная древесная и кустарниковая растительность в лесных питомниках и культурах; опытные образцы машин для химического ухода контактным способом; сеянцы, саженцы и лесные культуры.
Предметом исследований являются свойства сорняков; процессы экологически безопасной работы машин и их рабочих органов; состояние сеянцев, саженцев и лесных культур.
Методы исследования. Применялись теоретические и экспериментальные методы исследований. В. основу теоретических исследований положены математическое моделирование процессов деформации изгиба сорных растений при контакте с рабочим органом, возможных потерь препарата при питании рабочего органами смачивании растений, распределения раствора пестицида в материале контактора, нанесения рабочей жидкости на сорняки, методы теоретической механики, сопротивления материалов, гидравлики, дифференциального и интегрального исчисления.. Экспериментальные исследования выполнялись в-лабораторных и полевых условиях с использованием методов активного эксперимента с применением стандартных приемов вариационной статистики. Обработка результатов исследований производилась с использованием стандартных и специально разработанных автором1 программ на- базе компьютерной техники.
Научная новизна работы. Решена проблема, направленная на совершенствование технологий выращивания посадочного материала и лесных культур на основе применения экологически безопасного контактного способа химического ухода. При решении проблемы механизации химического ухода в лесных питомниках и культурах использован системный подход, обеспечивающий эффективность борьбы с сорняками и экологическую безопасность работы машин. На основании нового контактного способа нанесения пестицидов на сорные растения реализованы технологии химического ухода в лесных питомниках и культурах.
Разработаны математические модели, описывающие механизмы экологически безопасной работы машин, питания контактора, вытеснения раствора пестицида.из материала покрытияфабочего органа за счет упругих свойств обрабатываемых растений, позволяющие определять кинематические параметрьь рабочего органа, возможные:потери при питании и работе контактора и технологические режимы работы машин для обеспечения индивидуального нанесения препарата на сорные растения в зависимости от их биометрических и физико-механических свойств. Получены экспериментальные зависимости, с помощью которых определены рациональные параметры- рабочих органов и режимы работы машин, исключающие потери рабочей жидкости из материала покрытия контактора и с обработанных гербицидом; сорных растений: Экспериментально получено выражение; определяющее количество; нанесенного HW сорняки рабочего раствора в зависимости от физико-механических свойств., растений и материала покрытия контактораирежимов обработки: ,;
Достоверность: научных положений; выводов; и рекомендаций подтверждена достаточным объемом лабораторных и полевых исследований, производственной» проверкой? параметровіразработанньїх рабочих органов машин; а также достаточно высокой сходимостью теоретических и экспериментальных данных.. ; Практическая значимость. По результатам исследований получены, исходные данные дгшпроектирования; рабочих органов и машин для химического ухода в лесных, питомниках шкультурах. Разработаны методики расчета основных конструктивных и кинематических параметров, технологических ре- . жимов; работы; машин для ухода за выращиваемым посадочным материалом; и лесными, культурами. .Разработаны, конструкции, маши» для химического ухода в лесных питомниках; и:культурах.
Реализация? результатов исследований; Машина» для? химического ухода за лесными, культурами прошла; производственную проверку в Аксеновском; и Огудневском лесничествах Щёлковского» учебно-опытного лесхоза МЕУ.Ш и внедрена в ©гудневском-лесничестве: зтогоїлесхоза: Машина для. химухода в лесных питомниках прошла производственную проверку в, Сергиево Посадском питомнике одноименного опытно-механизированного лесхоза, по результатам приемочных испытаний віФЕУ «Цёнтрлес» рекомендована к выпуску опытной партии., Результаты теоретических и экспериментальных ис- следований реализованы в. утвержденных лесотехнических, требованиях на машины, в их конструкциях и использованы Центральным опытно-конструкторским бюро-лесохозяйственного- машиностроения при: изготовлении опытных образцов.
Результаты исследований! нашли; применение в учебном процессе МГУ леса и; других вузах лесного профиля; прш изучении; дисциплин; «Машины и механизмы», «Системамашин в лесномхозяйстве».
Исследования: и разработка машин для химического- ухода контактным; способом в лесных питомниках и культурах выполнены: в соответствии:с тематическим планоміработькна; 1986— 1990;т.г. погтеме:№ 182 с ВНИИХлесхозом Роскомлеса: Є€ЄР (номер госрегистрации 01860100499),,на-1986-19901 г.г. по» госбюджетной? теме №24 (номер госрегистрации 01860042800),. на 2004-2005 г.г.по теме №г23яс Ф1?УП!«Щ©КБлесхозмаш ;
Научные положения; выносимыеназащиту:
І. Технологии и средства механизации: для!химического ухода в, лесных питомниках культурах.
21 Математические модели? экологически? чистого/;процесса нанесения? гербицидов на сорную растительность.
31 Результаты исследований физико-механических свойств нежелательной древесно-кустарниковой растительности, влияющих на механизм нанесе-ния рабоче№ жидкости.
4. Результаты- исследований свойств материала покрытия контактора:
5. Методы и: результаты исследований по обоснованию рациональных параметроврабочих органов, сочетающих- эффективность борьбы с сорняками и экологическую безопасность работы машин: 6. Результаты экспериментальных исследований эффективности изрежи вания машинами сорной травянистой и нежелательной древесно-кустарниковой растительности при уходе за выращиваемым посадочным материалом и лесными культурами на вырубке:
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и одобрены: на международной научно-практической конференции (г. Воронеж, 1998), на VII международной школе-семинаре-по экологии (г. Пущино, 2008), на Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов (г. Мытищи, 1991), на Второй Всесоюзной научно-технической конференции (г. Мытищи, 1991), на Всесоюзной научной,конференции, посвященной 280-летию со днярожденияМ.В: Ломоносова (г. Архангельск, 1991), на Всесоюзной научно-технической конференции (г. Мытищи, 1997),. на конференции молодых ученых Западного отделения ВАЄХНИЛ (г. Гомель, 1990); на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ (1988...2009).
Публикации. По теме диссертации, опубликовано-36 работ общим объемом 53 п.л., включая 1 монографию, 1 справочник, 3 учебных пособия, 1 па-тент на изобретение, в том числе 8 в изданиях, рекомендованных ВАК. Лично автором опубликовано 23 работы общим объемом 34 п.л.
Структура и объем работьь Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения, библиографического списка, 9 приложений. Основная часть содержит 292 страницы машинописного текста, 125 рисунков, 30 таблиц. Библиографический список включает 231 источник, в том числе 24 на иностранных языках.
Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы их цель и основные положения, выносимые-на защиту.
В первой главе «Состояние проблемы и задачи исследований» проведен анализ методов и средств механизации, применяемых для, борьбььс сорняками в сельском и лесном хозяйстве; рассмотрены лесоводственная эффективность химического ухода за лесными культурами и влияние гербицидов и арборици-дов на лесную среду.
Большой вклад В создание лесохозяйственных машин внесли М.П. Албя-ков, И.М. Зима, Т.Т. Малюгин, Г.А. Ларюхин, П.С. Нартов, И.М. Бартенев, В.Н. Винокуров, Л.Н. Прохоров, В.И. Казаков, Л.Т. Свиридов, ФВ. Пошарни-ков и др.
Закономерности действия гербицидов на сорные растения исследовали И.Н. Велецкий, И.В. Шутов, Л.Ю: Ключников, С. А. Гордейченко и др.
Вопросам теории и обоснованию параметров и режимов работы машин для-химического ухода-за культурами посвящены многие работы. Наиболее полными и законченными являются исследования Ж.С. Бекбанова, F.B. Каблукова, К.К. Кияткина, А.К. Лысова, В.В. Ченцоваи др.
Вопросы повышения качества дозирования рабочей жидкости рассмотрены в работах А.С. Крянева, СМ. Львова, М.В. Шишовой, Ю.М. Ямникова и других авторов.
Теория и конструирование распыливающего оборудования представлены также достаточно широко в работах В.А. Абубикерова, В.А. Богданова, Н.Д. Баздырева,- А.С. Степанова, М.И: Штеренталяи др. Однако, эти-исследования выполнены для опрыскивания.
Работы С.Ф. Прокопенко, А.Д. Аскерова, Л.И. Харебова посвящены изучению качества нанесения гербицида, на растения» при опрыскивании в сельском хозяйстве. Несмотря на глубину и масштабность исследований, выполненных в проанализированных работах, их невозможно полностью использовать для создания машин контактного типа, так как существенно отличаются вид сорняков и способ нанесения препарата на сорную растительность.
Особенно актуальными являются работы, посвященные исследованию потерь препарата при опрыскивании. Этим вопросом занимались-А.В. Воеводин, Н.С. Лепехин, B.C. Ронкин.
Исследования по созданию машин для защиты растений в лесном хозяй 17 стве проводили В.П. Бельков, A.M. Бортник, А.В. Данилин, Ю.И. Полупарнев и другие.
Исследованиями по созданию машин контактного типа для ухода в основном за сельскохозяйственными культурами занимались в нашей стране А.В. Белов, И.В. Шершабов, Л.К. Яценко, за рубежом — L.D. Gaultney, Н.А. Holt, W.F. Rewelle, W.V. Welker и другие. При создании лесных культур на вырубках применение машины с рабочими органами неприводного типа неприемлемо из-за специфики условий работы (наличие порубочных остатков, пней, древесной поросли). В этом случае практически невозможно обеспечить безотказную работу машины, так как присутствуют значительные колебания ее тягового сопротивления. Таким образом; проведенный анализ показал, что ни одна приведенная конструкция контактной машины или ее рабочего органа не удовлетворяет условиям создания лесных культур на вырубках, поэтому необходима разработка специальной машины. Ее рабочий орган должен быть выполнен в виде вращающегося барабана с пористым покрытием, окружная скорость которого кинематически связана со скоростью движения агрегата, что обеспечивает наиболее качественное нанесение гербицида на сорные растения. В качестве объекта исследования при выращивании посадочного материала принята машина с рабочим органом неприводного типа.
Изучение состояния проблемы показало, что при контактном способе количество препарата, наносимого индивидуально на растения, зависит от физико-механических свойств обрабатываемой растительности и материала покрытия контактора. Исследованиям физико-механических свойств нежелательной древесной растительности 10... 15-летнего возраста посвящены работы Е.В. Даденко, А.В. Камашева, В.П. Мореева. Свойства,зрелой древесины изучены А.М1. Боровиковым, Б.Н. Уголевым и др. Однако их исследования не соответствуют условиям проведения лесоводственного ухода.
Сопротивление изгибу древесных растений зависит от формы их стволиков. Закономерности формы древесного ствола хвойных и лиственных пород рассмотрены в работах Г.Ф: Морозова, ;М.Е. Ткаченко, Ю.С. Лебедева, В.Ф. Лебкова и других авторов.
Анализ вышеприведенных исследований показывает невозможность применения в полной/мере их результатов»при разработке конструкций машин для ухода,за; выращиваемым посадочным материалом и лесными культурами контактным способом: Это объясняется; различием видового состава, а, следовательно, и свойств растений; произрастающих на сельскохозяйственных по- -лях,-в;лесных питомниках и?на-вырубках. Кроме этого упругие свойства расте-нийг в. большинстве: случаев изучались вютрыве от реальных условий- произрастания; т.е: не.учитывалась механическая прочность связи-корней с почвой-.
В приведенныхработах свойства материалашокрытия контактора изуче ньгразрозненно-и неполно:,Так в исследованиях Ii.D; Gaultney не.выявлены зависимости потерь жидкости от влажности-материала; его толщины» и времени? воздействия; вырывающих сил. Кроме этого силы инерции- (центробежное:ускорение) имитировались здесь дляї условий-работы машины, в сельском: хозяй стве, т.е. были, значительно ниже ударных: сил, возникающих: на- нераскорче ванных вырубках. :
На основе анализа: состояния: проблемы, определены, задачи исследований:
Во второй главе «Теоретические исследования- физико-механических свойств сорной растительности» проанализированы силы; реакции растений, возникающие при контактной; обработке, и силы, действующие на частицу препарата на; растении: Выполнено, исследование изгиба стволиков нежелательной древесной растительности и их колебаний; возникающих. после прохода агрегата.
В;: третьей главе «Экспериментальные исследования физико-механических свойств, сорной растительности» описана методика исследований; свойств, нежелательной древесной растительности на вырубках и: представлены их результаты... Для исследования биометрических и упругих свойств нежелательной
древесной растительности выбраны четыре породы (осина, береза, ольха и ива), которые наиболее распространены на вырубках средней полосы. Изучение упругих свойств выполнено с учетом механической прочности связи стволиков с почвой, т.е. непосредственно на вырубке. При этом проведен трехфак-торный эксперимент по В-плану, где выходной величиной была нормальная составляющая изгибающей силы, а варьируемыми факторами — диаметр у корневой шейки, высота приложения нагрузки и величина отклонения стволика в горизонтальной плоскости. Затем определялось контактное давление стволика на рабочий орган машины.
Отдельно поставлена серия опытов по определению модуля упругости некоторых пород. Для этого к стволикам прикладывались усилия.на высотах с шагом 0,2 м и фиксировались отклонения в точках приложения сил. Затем с учетом формы стволика определялся модуль упругости.
Исследование формы стволиков показало, что для растений, высота которых меньше 2 м, с достаточной для практических расчетов точностью можно ограничиться линейной зависимостью; описывающей форму стволика. Введены два коэффициента (диаметра и высоты), характеризующие форму стволика.
Для исключения потерь препарата с обработанных им растений, проведены исследования их затухающих колебаний. Целью этих исследований было определение ускорений вершин растений после прохода агрегата при обработке, а также установление зависимости между размером частицы гербицида, способной удержаться на растении, и величиной ускорения. Стволик растения отклонялся на некоторую величину и после освобождения совершал колебания. Этот процесс снимался на цифровую фотокамеру с функциями видеозаписи. Для определения влияния сопротивления воздуха растение затем освобождалось от листьев, и запись повторялась при тех же условиях. Нами введены два коэффициента, учитывающие сопротивление воздуха:
коэффициент облиственности для растений с листьями (учитывает сопротивление кроны) и коэффициент сопротивления стволика для растений без листьев (учитывает сопротивление стволика с ветвями).
В четвертой главе «Теоретические исследования физико-механических свойств материала покрытия контактора» проанализированы процесс переноса жидкости в покрытии контактора, механизм вытеснения жидкости из покрытия рабочего органа, изучено влияние свойств материала и рабочей жидкости, а также параметров рабочего органа на возможные потери препарата.
Исследование механизма вытеснения жидкости из покрытия выполнено при допущении, что количество вытесняемой жидкости пропорционально относительному сжатию материала под действием упругих сил наклоняемых растений. Установлена зависимость начальной влажности от относительного сжатия, при котором начинается процесс вытеснения жидкости из материала покрытия контактора.
Также получена зависимость объема вытесняемой жидкости с единицы площади покрытия при контакте рабочего органа в /-й момент времени су -м растением от физико-механических свойств растительности и материала покрытия, начальной влажности и высоты обработки.
Моделируя материал покрытия пучком изолированных друг от друга ра-диально расположенных цилиндрических капилляров, рассмотрены силы в единичном заполненном жидкостью капилляре, помещенном в поле центробежных сил, имитирующих остальные. Перемещение жидкости в отдельном капилляре описано уравнением динамики тела переменной массы. Получено неоднородное нелинейное дифференциальное уравнение движения жидкости 2-го порядка, которое решено на ЭВМ по составленной нами программе методом Рунге-Кутта. При решении уравнения определен максимальный радиус эквивалентного капилляра, заполненного полностью жидкостью, в зависимости от кинематических параметров и свойств жидкости; а также получено вы 21 ражение для определенияхкритической угловой скорости, являющейся ограничением при обосновании кинематических параметров рабочего органа с учетом исключения потерь препарата.
В пятой главе «Экспериментальные: исследования; физико-механических свойств І материала покрытия контактора» представлены методики лабораторных исследований пористости материала, потерь препарата из него, механизма вытеснения жидкости из,покрытия»при его деформации- сжатия прочностных свойств.материала и их результаты.
Исследования пористости материала и потерь жидкости из; него выполнялись на экспериментальной установке. Потери-жидкости определялись весовым способом. Для; исследования, потерь, жидкости: проведен- четырехфактор-ны№ эксперимент, целью которого было-получение: зависимости- количества: потерянного из; единицы; площади материала покрытия; препарата от варьируемых факторов в; виде: многочлена, второго порядка: Варьируемыми факторами были вырывающее ускорение; продолжительность действиясил инерции,, начальная?влажность материала.и толщина-покрытия: Для?окончательного вьь бора; проведены, исследования материалов на: прочность при различной влажности.
Получены зависимости максимального радиуса: эквивалентного капилляра; заполненного полностью жидкостью, и доли свободного от жидкости капиллярного пространства от кинематических параметров.
Разработана номограмма; позволяющая: определять кинематические параметры рабочего органа при условии исключения- потерь рабочей жидкости в зависимости от влажности штолщины покрытия;
В; результате изучения: потерь жидкости из материала покрытия получены; уравнения регрессии; (в натуральных обозначениях факторов) для указанных материалов:
Результаты: опытов показывают, что с увеличением значений всех факторов потери жидкости растут; особенно сильное влияние в принятом диапа 22 зоне варьирования на потери оказывает ускорение. Проведенный анализ теоретических и экспериментальных исследований потерь рабочего раствора показал их хорошую сходимость.
Исследование прочностных свойств материалов выявило многократное превышение предела прочности на разрыв у ЛТК-60-4000 по сравнению с другими материалами, у последних к тому же установлена зависимость предела прочности от влажности. На основании всех критериев в качестве материала покрытия выбран ЛТК-60-4000. Проведенные с ним дальнейшие исследования механизма вытеснения жидкости позволили установить зависимость относительного сжатия от сжимающего напряжения и зависимость объема вытеснен-ной с единицы площади материала жидкости от начальной влажности, толщины покрытия и сжимающего напряжения.
Теоретические и1 экспериментальные результаты исследований вытеснения жидкости имеют хорошую сходимость.
Полученные зависимости позволяют определять кинематические параметры рабочего органа, которые обеспечивают экологически безопасную работу машины.
В шестой главе «Теоретическое обоснование параметров и режимов работы машин для химического ухода контактным способом в лесных питомниках и культурах» разработана модель экологически безопасного процесса работы машины, обоснованы способ и параметры питания контактора рабочим раствором, исследован механизм нанесения гербицида на сорные растения, обоснованы гидравлические и кинематические параметры рабочего органа с учетом исключения потерь препарата.
Предложенная модель позволяет оценивать разрабатываемые и существующие средства механизации с позиции экологической чистоты их работы.
С точки зрения равномерности (качества) нанесения препарата на растения и исключения при этом его потерь рассмотрены встречное и попутное направления вращения барабана. При этом проанализированы силы, действую 23 щие на рабочий орган и на частицу гербицида, нанесенного на растение, при каждом из указанных способов вращения.
Исходя из условия экологической чистоты работы машины проведено обоснование способа и параметровпитания.контактора.
В седьмой главе «Экспериментальные исследования машин для химического ухода за выращиваемым посадочным материалом и лесными культурами» приведены методики и результаты полевых исследований машин для ухода при искусственном лесовыращивании.
С целью обоснования рациональных параметров и режимов работы машины для-- ухода за лесными культурами проведен трехфакторный эксперимент, выходной величиной служила степень изреживания нежелательной древесной растительности, факторам» — доза4 внесения гербицида по действующему веществу (1...3 кг/га), концентрация раствора (4...36 %) и кинематический параметр (0,5...2,0). В", качестве гербицида использовался, утал (аналог глифосата), являющийся одним из безопасных пестицидов, обладающий также арборицидными,свойствами и нетоксичный для культур ели.
Получена зависимость - степени изреживания» растительности от дозы, концентрации раствора и кинематического параметра:
Применяя диссоциативно-шаговый метод, найдены оптимальные величины указанных факторов. При этом учитывалось, что цель ухода считается достигнутой при степешгизреживания, равной 60...80 %. При этих параметрах норма расхода равна 4 л/га, что-в. 5...35 раз меньше, чем при опрыскивании. Это свидетельствует о высокой экологической чистоте работы машины.
На основании, выполненных теоретических и экспериментальных исследований при условии к исключения потерь препарата получены параметры машины: максимально допустимая угловая скорость вращения «барабана, его радиус, угол расположения капельниц, шаг их расстановки, число капельниц1 на одной секции, время г насыщения поверхности контактора, толщина покрытия, радиальное расстояние от капельниц до рабочей поверхности. Экспериментальная оценка эффективности работы машины для ухода за выращиваемым посадочным материалом выполнялась в производственных условиях посевного (на посевах сосны и ели первого года выращивания) и школьного отделений (на посадках ели) лесопитомника. Испытывались различные концентрации рабочего раствора (5,66 % и 11,00 %), дозы гербицида (от 1,46 кг/га до 14,13 кг/га) и нормы расхода рабочей жидкости (от 25,8 л/га до 249,7 л/га) при разных скоростях движения агрегата (от 0,97 км/ч до 6,11 км/ч).
Установлено, что при применении машины выход сеянцев возрастает с 0,7 млн. до 1,9...2,5 млн. шт. / га.
На основании выполненных исследований получены рациональные параметры и режимы работы машины: ширина захвата, число капельниц, угол наклона контактирующей поверхности, высота обработки, рабочая скорость движения агрегата.
В восьмой главе «Внедрение результатов исследований и расчет экономической эффективности» описаны этапы создания машин для ухода за лесными культурами (экспериментальная установка, опытные образцы с задним навешиванием с встречным и попутным вращением барабанов, усовершенствованный опытный образец с передним навешиванием с попутным вращением барабанов) и выращиваемым посадочным материалом с неприводным типом контактора, их конструктивно-технологические схемы, процессы работы, представлены внедрение результатов исследований и расчет экономической эффективности.
Приведенный экономический эффект от внедрения машин для ухода за лесными культурами составил 4,3 тыс. руб./га, для ухода за сеянцами - 478,8 тыс. руб./га, за саженцами - 239,1 тыс. руб./га (в ценах сентября 2008 г.).
Выражаю искреннюю благодарность своему учителю и наставнику доктору технических наук, профессору Винокурову Василию Николаевичу.
