Введение к работе
Актуальность темы исследования. Отечественное промышленное садоводство в нашей стране является одной из динамически развивающихся отраслей сельского хозяйства. Это подтверждается рядом постановлений правительства РФ и разработкой Федеральных, отраслевых и региональных программ развития садоводства и питомниководства, в основе которых лежат положения Стратегии национальной безопасности РФ до 2020 года, Государственной программы «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы» и других законодательных актов.
Перспективным направлением развития промышленного садоводства является переход на интенсивные технологии, в которых используются слаборослые подвои. Это требует повсеместной закладки новых садов интенсивного типа. В настоящее время в России 90 % всех садов составляют сады экстенсивного типа. Свободных земель под закладку новых садов практически нет, что в свою очередь требует освоения территорий, занятых старыми садовыми насаждениями. Только в Центрально-Черноземном районе сады, вышедшими из оборота занимают более 50 тыс. га. Однако закладка новых садов сдерживается из-за отсутствия эффективных и ресурсосберегающих технических средств для раскорчевки и утилизации старых садовых насаждений.
В настоящее время в отечественном промышленном садоводстве при раскорчевке садовых насаждений используется технология, которая трактуется как сплошная раскорчевка, в основе которой лежит использование различных типов навесных корчевателей, представляющих собой отвал с зубьями на базе гусеничного трактора. Основными технологическими операциями при сплошной раскорчевке являются: свал дерева, перемещение раскорчеванных деревьев на край участка и формирование валков корчевателями-собирателями, сжигание ветвей, сложенных в валок.
В результате данного метода в почве остается значительное количество корней, происходит уплотнение нижних слоев почвы из-за применения тяжелых гусеничных тракторов, при сжигании выгорает гумусовый слой почвы, требуется проведение большого объема культуртехнических работ по восстановлению плодородия почвы.
Современные технологии используют принцип раздельной раскорчевки и утилизации старых садовых насаждений. С точки зрения ресурсосбережения применение данной технологии наиболее рационально. Разделение технологического процесса раскорчевки на отдельные операции (валку дерева без корней и корчевание пней) дает возможность снижения энергоемкости процесса. Но, как показывает практика, данная технология применяется преимущественно за рубежом.
Удаление пней является одной из самых энергоемких и ресурсозатратных технологических операций при корчевании плодового дерева. Специализированных корчевателей пней плодовых деревьев нет, а используемые орудия применимы преимущественно для лесного хозяйства и сделаны на базе энергонасыщенных промышленных тракторов.
Поэтому совершенствование технологии раздельной раскорчевки путем разработки корчевателя пней плодовых деревьев является актуальной задачей.
Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме «Ресурсосбережение и экологическая безопасность индустриальных машинных технологий интенсивного садоводства» (шифр: 2010-1.1-225-051-031, государственный контракт № 02.740.11.0741 от 12.04.2010 г.).
Степень разработанности.
Общим вопросам механизации раскорчевки деревьев и лесосечных работ посвящены работы Аликина Г.П., Винокурова В.Н., Силаева Г.В., Застенского Л.С., Бартенева И.М., Баранова А.М., Золотаревского А. А., Драпалюка М.В., Чмелева В.В., Серикова Ю.М., Титаренко Ю.А., и др. Теоретическими и экспериментальные исследования процесса корчевания пней рассмотрены в работах Вавилова А.В., Шекеля А.И., Верховского А.В., Египко С.В., Алябьева А.Ф., Лазарева М.С., и др.
Однако, следует отметить, что работы, посвященные проблеме корчевания пней рассматривались преимущественно для лесосек при лесовосстановлении или мелиоративных работах для освоения земель. Разработки по созданию средств механизации для корчевания пней плодовых деревьев, корневая система которых менее мощная по сравнению с деверьями лесных пород, не проводились.
Процессы взаимодействия рабочего органа с почвой с корневыми включениями в почве изучены недостаточно. В основном, влияние корней на процесс корчевания учитывался вероятностными распределениями корней в почве или усредненным показателем, что приводит к получению некорректных результатов при определении энергоемкости процессов. В результате возникает необходимость разработки методов расчета тягового сопротивления корчеванию с учетом особенности архитектоники корневой системы дерева.
Цель исследований. Повышение эффективности и обеспечение ресурсосбережения процесса раскорчевки пней плодовых деревьев путем разработки нового технического средства.
Объект исследования. Процесс корчевания пней плодовых деревьев и техническое средство, обеспечивающее эффективность и ресурсосбережение процесса корчевания.
Предмет исследований. Закономерности взаимодействия рабочих органов корчевателя пней с почвой и корнями плодовых деревьев.
Методы исследований. В теоретических исследованиях использовали методы системной инженерии, концептуального моделирования, математического анализа, теоретической механики, математического моделирования процесса взаимодействия рабочего органа с почвой и корнями. Экспериментальные исследования проводили по частным методикам лабораторных и полевых исследований с использованием измерительных приборов, оборудования и оригинальных лабораторно-полевых установок. Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики.
Научную новизну составляют:
результаты исследования распределения корней плодовых деревьев в почвенном массиве;
количественные показатели фрактальной размерности корневой системы плодовых деревьев;
физико-механические характеристики корней яблони;
принципиальная схема корчевателя пней плодовых деревьев;
математические модели взаимодействия рабочих органов корчевателя пней с почвой и корнями деревьев;
закономерности изменения тягового сопротивления рабочего органа в зависимости от конструктивных параметров рабочих органов.
Практическая значимость работы заключается в обосновании общей компоновки и оптимальных параметров рабочих органов корчевателя пней плодовых деревьев, позволяющего повысить эффективность и обеспечить ресурсосбережение процесса раскорчевки плодовых деревьев. Эффективность процесса обеспечивается за счет увеличения производительности и уменьшения негативного воздействия на почву. Ресурсосбережение обеспечивается за счет снижения тягового сопротивления и возможности использования тракторов общего сельскохозяйственного назначения.
Положения, выносимые на защиту:
исследование архитектоники корневой системы плодовых деревьев и физико-механические свойства корней;
разработка концептуальной модели корчевателя пней плодовых деревьев;
теоретические исследования тягового сопротивления рабочего органа корчевателя пней плодовых деревьев;
закономерности изменения тягового сопротивления рабочего органа в зависимости от конструктивных параметров рабочих органов.
Реализация результатов исследований.
В результате проведенной работы была изготовлена опытная партия корчевателей пней марки КП-2 в количестве 5 шт.
Техническая экспертиза КП-2 проводилась ФГБНУ «Росинформагротех».
Заводские испытания КП-2 проводились на опытных полях ГНУ ВНИИС им. И.В. Мичурина Россельхозакадемии (г. Мичуринск Тамбовской области) и в ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА (г. Кинель Самарской области)
Производственно-хозяйственная проверка корчевателя пней плодовых деревьев КП-2 проводилась в СПК «Зеленый гай» Мичуринского района Тамбовской области, ГБУ Самарской области НИИ ЖС «Жигулевские сады» и ООО «Планета садов» Мичуринского района Тамбовской области в период 2011-2013 гг.
По результатам испытаний и производственно-хозяйственной проверки корчеватель КП-2 включен в «Систему машин и технологий для комплексной механизации и автоматизации сельскохозяйственного производства на период до 2020 года» и принято решение о постановке на производство в Инженерном центре ГНУ ВНИИС им. И.В. Мичурина Россельхозакадемии.
Достоверность результатов исследований подтверждается корректностью разработанных математических моделей, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента и результатами опытно-производственной проверки созданного технического средства, а также с результатами исследований других авторов. Достоверность новизны технического решения подтверждается двумя патентами на полезные модели.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались ежегодно с 2009 по 2013 гг. на научных конференциях Мичуринского государственного аграрного университета.
Отдельные материалы диссертации доложены и одобрены на научных конференциях в рамках Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов, молодых ученых высших учебных заведений Минсельхоза России (г. Саратов, ФГБОУ ВПО СГАУ им. Н.И. Вавилова, 2010, 2011 гг.); Международной научно-техническая конференция «Инновационные технологии и техника нового поколения - основа модернизации сельского хозяйства» (г. Москва, ГНУ ВИМ Россельхозакадемии, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Интеграция научно-технического потенциала регионов РФ и стран СНГ в решении задач механизации садоводства на современном этапе» (г. Мичуринск, ФГБОУ ВПО МичГАУ, 2012 г.).
Опытный образец корчевателя пней плодовых деревьев был представлен на: V, VI и VII Всероссийских выставках «День садовода» (г. Мичуринск, 2010, 2011, 2012 гг.); выставке «Инновационные проекты аграрной молодежи» в рамках XII Российской агропромышленной выставки «Золотая осень - 2010» (г. Москва, 2010).
Теоретические и экспериментальные исследования с производственной реализацией результатов удостоены золотой медали «За разработку корчевателя пней плодовых деревьев КП-2» Всероссийской выставки «День садовода 2010»; золотой медали в рамках Международной программы «Golden Galaxy», 2011 г.; золотой медали «За разработку корчевателя пней плодовых деревьев КП-2» XIV Российской агропромышленной выставки «Золотая осень - 2012».
Публикации результатов работы. Основные положения диссертационной работы отражены в 10 печатных работах, в том числе 3 работы в изданиях, рецензируемых ВАК РФ. Техническая новизна работы подтверждена двумя патентами РФ на полезные модели.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа содержит 198 машинописных страниц, 87 рисунков, 12 таблиц, 145 литературных источников и 19 приложений.
