Содержание к диссертации
Введение
I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 12
1.1. Общие сведения 12
1.2. Анализ технологических схем ручного сбора семян саксаула и черкеза 17
1.3. Анализ работ по созданию опытных образцов машин
для сбора семян саксаула и черкеза 22
.1.4. Обзор теоретических исследований процесса сбора
плодов и семян воздушным потоком 29
1.5. Объект исследования 39
1.6. Выводы 46
1.7. Задачи исследования 46
2. ПРОГРАММА РАБОТ, ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ 49
2.1. Программа работ 49
2.2. Общие положения методики и средства исследования 50
3. ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСТЕНИЙ И СЕМЯН САКСАУЛА И ЧЕРКЕЗА 56
3.1. Возрастной состав растений саксаула и черкеза в лесосеменных участках 56
3.2. Геометрические параметры надземной части растений 62 3.2.1.Высота растений 62 3.2.2.Размеры, формы и площадь проекции кроны 66
3.3. Размещение семян в кроне 75
3.4. Сила связи семян с плодоносящей ветвью 80
3.5. Динамика естественного опадения семян 86
3.6. Плотность кроны 90
3.7. Некоторые физико-механические свойства семян 93 3.7.1.Масса, размеры, Миделево сечение и скорость
витания семян 93
3.7.2.Критические скорости перемещения семян 94
3.8. Выводы 97
4. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПРОЦЕССА СБОРА СЕМЯН САКСАУЛА И ЧЕРКЕЗА ВОЗДУШНЫМ ПОТОКОМ 99
4.1. Общие схемы процесса сбора 99
4.2. Сбор семян с элементарного слоя веток 101
4.3. Выделение семян из толстого слоя веток 104
4.4. Полнота сбора семян в общем случае 109
4.5. Анализ основного уравнения процесса сбора
семян всасывающим воздушным потоком III
4.6. Сопоставление математической модели процесса
сбора с результатами экспериментов и
определение эмпирических параметров 114
4.7. Выводы 126
5. ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СБОРА СЕМЯН САКСАУЛА, ЧЕРКЕЗА И ВЫБОР ТИПА РАБОЧЕГО ОРГАНА 128
5.1. Обоснование технологической схемы сбора семян 128
5.2. Экспериментальные обоснования типа рабочих
органов для съема семян 133
5.2.1.Программа и методика экспериментальных
исследований 133
5.2.2. Методика обработки результатов экспериментальных исследований 137
5.2.3. Описание лабораторных стендов для испытания рабочих органов 140
5.2.4. Результаты лабораторных испытаний рабочих
органов для сбора семян 146
5.3. Оптимизация технологических параметров рабочего органа для сбора семян саксаула и черкеза 153
5.4. Выводы 159
6. РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОС НОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МАШИНЫ ДЖ СБОРА СЕМЯН САКСАУЛА И ЧЕРКЕЗА 161
6.1. Конструкция, принцип работы и техническая
характеристика опытного образца машины для
сбора семян саксаула и черкеза 161
6.2. Экономическая эффективность машинного сбора
семян саксаула и черкеза 167
6.3. Выводы 178
ОБЩИЕВЫВОДЫ 179
ЛИТЕРАТУРА 181
ПРИЛОЖЕНИЯ 192
- Анализ технологических схем ручного сбора семян саксаула и черкеза
- Общие положения методики и средства исследования
- Возрастной состав растений саксаула и черкеза в лесосеменных участках
- Сбор семян с элементарного слоя веток
- Обоснование технологической схемы сбора семян
Введение к работе
Решениями ХХУІ съезда КПСС /I/, майского 1982 г. Пленума ЦК КПСС /2/ намечены пути реализации Продовольственной программы, предусматривающие резкое повышение обеспеченности советского народа продуктами питания. Зона песчаных пустынь, помимо развития традиционных отраслей народного хозяйства, таких как отгонное животноводство и каракулеводство, подлежит широкому и планомерному промышленному освоению, в частности, созданию мощных индустриальных центров по добыче природного газа, нефти. Следует отметить, что промышленное освоение данных территорий привело к нарушению, в некоторых частях, биоэкологического состояния природной среды /З/, в связи с чем, большое внимание уделяется сохранению и созданию почвозащитных насаждений. Жесткие природно-климатические и почвенные условия мест произрастания существенно ограничивают ассортиментный состав пескозакрепительных и пастбищезащитных растений, который сводится к саксаулам белому и черному, черкезам, кандымам, чогону и кейреуку и травам - изеню, седину, полыни /4/.
Развитие работ по фитомелиоративному освоению песчано-пуе-тынных территорий ведется, в основном, по следующим направлениям: создание и обогащение пустынных пастбищ; защита населенных мест, промышленных и ирригационных объектов от ветропесчанных заносов; - локализация очагов дефляции песка в глубинных районах. Решению этих задач посвящены фундаментальные исследования, проводившиеся с конца двадцатых годов Среднеазиатским научно-исследовательским институтом лесного хозяйства, Институтом Пустынь АН ТССР, Всесоюзным научно-исследовательским институтом каракулеводства, Казахским научно-исследовательским институтом лесного хозяйства и агролесомелиорации, Всесоюзным научно-исследователь- ским институтом агролесомелиорации, Ташкентским институтом инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства, Ташкентским сельскохозяйственным институтом и рядом других научных организаций.
В результате проведенных исследований практически решены вопросы, связанные с агротехникой создания пастбищных и защитных насаждений в пустынной зоне на базе фитомелиорации и применения химических веществ.
В части создания и обогащения пустынных пастбищ экономически эффективным признан посев кормовых трав и саксаула на предварительно подготовленную почву. Для механизации основных трудоемких операций широкое применение нашли специальные машины, такие как посевное приспособление к плугу ШС-0,4, сеялка саксаульно-травя-ная ССТ-3, машина для очистки семян саксаула и черкеза МОС-0,2 /Ъ/\ проведены работы по модернизации зерновых сеялок применительно к высеву семян пустынных растений /6/, созданы устройства для очистки /7/ и дражирования семян пустынных трав /8/.
Технологический процесс создания защитных насаждений вокруг промышленных объектов включает, как правило, закрепление поверхности песка склеивающими химическими препаратами и последующую посадку сеянцев псамофитов /9, 10, II/.
В плане, создания насаждений такого типа разработан целый ряд технологических приёмов /12, 13/ и созданы опытные образцы машин для нанесения химических веществ /14/ и для посадки лесных культур вдоль закрепленных полос.
Локализация очагов дефляции песка проводится на основе разработанной технологии /15/, заключающейся в узкополосном или сплошном нанесении химических веществ на поверхность барханов в виде ограниченных пятен с последующим посевом семян.
Разработанные, для всех видов фитомелиоративных работ, техно- логические мероприятия предусматривают широкое применение посевов, в последнее время и посадок, растений псамофитов, которые оправдывают себя как в плане пескозакрепителей и создания защитных полос, так и в плане создания и обогащения пустынных пастбищ.
В технологических картах по выполнению фитомелиоративных работ операция сбора семян саксаула и черкеза выполняется вручную.
Анализ процесса ручного сбора семян саксаула и черкеза, проведенный в Чарджоуском лесхозе MUX ТССР и Шафирканском лесхозе МЛХ УзССР показывает, что ведется он двумя методами: обламыванием плодоносящих ветвей с последующим обиванием семян; ошмыгиванием семян непосредственно с плодоносящих ветвей.
Общий объём заготовки семян саксаула и черкеза в сельскохозяйственных и лесохозяйственных организациях Среднеазиатских республик и Казахстана составляет 2,5...4,0 тыс.тонн. Колебание объёма заготовки объясняется урожайностью насаждений и потребностями хозяйств.
Расширение объёмов работ, намеченное на текущее пятилетие, приведет к увеличению потребности в семенах до 6,5...7,0 тыс.тонн.
Затраты труда на сбор одной тонны семян саксаула в Чарджоуском и Шафирканском лесхозах* составляет 135 чел.дней, а черкеза 95 чел. дней.
Затраты денежных средств на сбор одной тонны вороха семян саксаула составляет 630 и 720 руб.; черкеза 424 и 485 руб. * - Чарджоуский лесхоз МЛХ ТССР и Шафирканский лесхоз МЛХ УзССР выбраны в качестве типичных хозяйств для изучения технологических процессов сбора, обработки и хранения семян пустынных растений. Выбор произведен согласно общепринятой методике /16/ выбора типичных хозяйств.
Трудоемкими и дорогостоящими являются операции, очистки собираемого семенного вороха до требований, предусмотренных ГОСТ 13855-68 /23/, согласно которых семенной ворох саксаула и черкеза с содержанием примесей до 45 %, отнесён к I классу чистоты. Анализ фракционного состава вороха саксаула ручного сбора, проведенный нами в тшшчных лесхозах, показывает, что содержание в нем чистых семян не превышает 20..«25 %, для черкеза -30...35 %, что требует проведения дополнительной операции по очистке.
Работа по созданию машины для сбора семян саксаула и черкеза связана с разработкой плановой темы СредазНИЙДХ, выполненной в порядке хоздоговора с Министерством лесного хозяйства Туркменской ССР, - "Разработать машину для сбора семян саксаула и черкеза" /срок проработки 1978-1980 гг., номер Госрегистрации 79058279/.
Проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию машины для сбора семян саксаула и черкеза предусмотрено системой машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства на I98I-I990 гг., Часть ІУ, М., 1981, Позиция Л 22.02.
В различные годы специалистами СредазНИИЯХ и КазНИШКА были созданы опытные образцы и лабораторно-полевые установки /17, 18, 19/, которые подвергались государственным и ведомствен-^ ным испытаниям, однако до настоящего времени процесс сбора семян саксаула и черкеза выполняется вручную.
Анализ созданных конструкций и результатов испытаний опытных образцов показывает, что для отделения семян от ветвей были использованы силы всасывающего и нагнетающего воздушного потока, инерционные силы, возбуждаемые в плодоэлементах вибраторами.
Основными недостатками испытывавшихся конструкций были: - низкая сменная производительность устройств и высокая стоимость семян машинного сбора, низкий коэффициент полноты отделения семян с отдельно взятых деревьев, высокая засорённость собираемого вороха семян трудноотделимыми, примесями и повреждение семян в процессе сбора, повышенная энергоемкость процесса, невозможность исключения ручного труда на основных и дополнительных операциях.
Опытные образцы машины для сбора семян саксаула и черкеза CCM-I, конструкции СредазНИЙЛХ, имели в качестве рабочих органов пневмовсасывающие трубки, соединенные с зоной разряжения гибкими шлангами. Перемещение трубок в кроне производилось операторами, что делало их ручными приспособлениями.
Вибрационные установки, в которых использовались вибрирующие вилки, обеспечивали достаточно высокие показатели по полноте отделения семян, но не решали вопроса их сбора. Применение различного вида улавливающих устройств расстилаемого и экранного типа не привело к положительным результатом из-за высокой парусности семян разброс их происходит в радиусе 12...15 м .
Относительные неудачи в конструировании рабочих органов машин для сбора семян саксаула и черкеза могут быть отнесены за счет недостаточно полного изучения физико-механических свойств механизма действия сил при отделении семян от ветви рабочими органами, динамики изменения сил связи семян и плодоэлементов с ветвью в агротехническом сроке сбора, характера размещения семян в кроне и распределения их по поверхности почвы при естественном опадении в процессе биологического созревания, либо под действием вынуждающих сил.
Таким образом анализ состояния вопроса показывает, что раз- работка эффективной и качественной технологии сбора семян саксаула и черкеза является одной из актуальных задач совершенствования комплекса машин для выполнения агротехнических мероприятий по освоению пустынных территорий страны.
Целью настоящей работы является разработка технологического процесса и устройства для сбора семян саксаула и черкеза.
Объектом исследования являлись семенные насаждения саксаула и черкеза, процесс сбора семян включающий операции по повышению полноты их отделения от ветви, опытный образец машины для сбора семян.
Повышение полноты сбора семян достигается обработкой растений химическими веществами, снижающими влажность плодоножек и силы связи семян с ветвью, что защищено авторским свидетельством СССР Л 897156 /20/ (Приложение I).
Снижение повреждения семян в процессе их сбора обеспечивается пониженными скоростями воздушного потока и оригинальной конструкцией рабочего органа, по авторскому свидетельству СССР № I0057I0 /21/С Приложение 2 > .
Экспериментальные исследования проведены в лабораторных и полевых условиях с применением приборов для измерения параметров воздушного потока, определения физико-механических свойств семян, сил связи с ветвью и определения агротехнических показателей исследовавшегося процесса.
Обработка материалов исследования проведена методами математической статистики.
Экономическая эффективность определена по методике, утвержденной постановлением Госкомитета СССР по науке и технике, Госплана СССР,» АН СССР и Госкомитета СССР по делам изобретений и открытий от 14.02.77 г. /97/
Научная новизна исследования заключается: в разработке способа снижения силы связи семян с ветвью путём обработки кроны порошкообразными веществами повышенной гигроскопичности; в разработке математической модели процесса сбора семян воздушным потоком разряжения, определяющей полноту сбора семян в зависимости от глубины слоя плодоносящих ветвей, скорости воздушного потока и скорости перемещения и размера насадка, позволяющей определить основные параметры рабочих органов машины для сбора семян саксаула и черкеза.
Результаты исследования использованы Центральным опытно-конструкторским бюро по лесохозяйственным машинам (Приложение 3 ) при создании опытного образца машины для сбора семян саксаула и черкеза.
Результаты проведенных исследований доложены и обсуждены на научных конференциях молодых ученых и аспирантов СредазНИИЛХ
1979, 1980, 1981, 1982 гг., на ХХХУШ научно-производственной конференции профессорско-преподавательского состава ТИИИМСХ, г., на Х-конференпии молодых ученых Узбекистана по сельскому хозяйству, 1980 г., на Республиканской школе-семинаре молодых ученых и специалистов по проблемам повышения эффективности сельскохозяйственного производства в свете решений июльского пленума
1978 г. ЦК КПСС, 1979 г.
Анализ технологических схем ручного сбора семян саксаула и черкеза
В практике научных исследований имеются сведения о предложенных устройствах для механизации процесса сбора семян саксаула и черкеза, имеются также указания на разработку технологического процесса механизированного сбора урожая семян с растущих деревьев.
В силу того, что предложенные устройства имели существенные недостатки, ни одно из них не было реализовано и.выполнение про-цесса сбора семян ведется повсеместно вручную.
В зависимости от характера насаадений, а в ряде мест в силу традиций, процесс ручного сбора выполняется по разному.
Проведенные нами наблюдения позволили разделить процесс сбора семян на следующие виды:
- сбор семян ошмыгиванием (рис. 1.3) , когда сборщик отделя ет семена с помощью простейших приспособлений в виде металличес ких крючков, зацепов. Данный вид процесса является наиболее распространенным, причем осуществляется он, как правило в низкорослых, молодых насаждениях на высоте до 1,5 м.
В ряде мест, где средняя высота плодоносящих растений в насаждениях превышает 1,5 м, сбор ведется с тракторных тележек, что повсеместно приводит к уничтожению подроста;
- сбор семян обиванием шестами на землю, либо в расстилаемые улавливатели с последующим сметанием в кучи, отделением крупных веток и затариванием;
- сбор семян обламыванием плодоносящих ветвей Срис.1.4) Обломанные плодоносящие ветви собираются в кучи для просушки.
В дальнейшем семена обиваются шестами, сметаются в кучи и затариваются;
- сбор семян опавших под крону путем сметания в кучу. Этот вид процесса осуществляется повсеместно в после-морозный период, когда силы связи резко снижаются и семена под действием естественных ветров, отделяются от плодоэлементов и опадают на поверхность земли.
Общие положения методики и средства исследования
В разделе приведены общие положения методики исследований по каждому из программных вопросов,частные методики приведены в соответствующих подразделах.
Теоретическими методами исследовались общие вопросы взаимодействия воздушного похока разряжения и массы семян при поступательном перемещении рабочего насадка вдоль слоев плодоносящих ветвей разной глубины Теоретически определены вероятности отделения семян,расположенных на различных глубинах слоя плодоносящих ветвей,при различных скоростях воздушного похока и поступательного перемещения рабочего насадка.На ахой основе получены зависимости для определения основных параметров рабочего насадка Лаборахорно-полевыми исследованиями определялись основные характеристики насаждений,геометрические параметры надземной части растений саксаула и черкеза, величины силы связи семян с ветвью и площади их опадения под влиянием естественных факторов, проективная густота кроны Лабораторными методами определены некохорые физико-механические свойсхва семян саксаула и черкеза и показатели их повреждаемости при транспортировании воздушным потоком по пневмопроводам.
Экспериментальные исследования проведены в плане уточнения данных,полученных в резульхахе теоретических,лаборахорно-поле -вых и лабораторных исследованиях,при эхом изучались:
- полнота отделения семян саксаула и черкеза пневматическими, пневмомеханическими и механическими рабочими органами;
- влияние главных факторов, определяющих закрепление семян на элементах растения, на полноту их отделения Ведомственные испытания лабораторной установки и опытного образца семян саксаула и черкеза проведены в типичных условиях мест произрастания насаждений, являющихся основной базой для получения семенного материала. Результаты испытаний были получены с целью сопоставимости с лабораторно-полевыми и экспериментальными данными или в части получения данных по программе испытания и постановки дополнительных опытов Лабораторно-полевые исследования и ведомственные испытания опытного образца проведены в насаждениях Чарджоуского лесхоза МЛХ TGCP, в Среднеазиатском НИИ лесного хозяйства, Центральном опытном конструкторском бюро по лесохозяйственцым машинам (ЦОКБ лесхозмаш), в институте Механики АН УзССР.
Возрастной состав растений саксаула и черкеза в лесосеменных участках
Согласно "Наставления по лесосеменному делу" /60/ сбор семян саксаула и черкеза ведется в естественных насаждениях,отведенных под специализированные семенные учасхки, либо в искусственно созданных полосных насаждениях. Начало сбора семян саксаула и черкеза определяют по признакам спелосхи -"побурение, хорошее развихие крылаток и охделение их ох побегов при сохрясении кусха" /61/.
В исследуемом хехнологическом процессе, сбор семян преду -смахриваехся проводихь с учасхков кроны расхения, на которых сосредохочена основная часхь урожая, наиболее ценного в биологическом отношении. Кроме сбора семян с растения, предусматривается подбор опавших с поверхносхи почвы.
Очевидно, что параметр высоты расположения рабочего органа будет определяться высотой растения, которая в свою очередь зависит от возраста.
Выбор участков для проведения экспериментальных исследований производился рандомизированным методом /51/ с учетом реко -мендаций, изложенных в работе /62/. На отобранных участках в течении 3 лет, перед проведением эксперимента, не проводилось никаких хозяйственных мероприятий.
На участках, отведенных хозяйством под заготовку семян,выбирались опытные площадки размером 100x100 м с учетом возможности соблюдения требований к разбросному способу размещения четырех повторений с пятью делянками.
На опытных площадках было отобрано три участка по 0,2 га каждый, на территории Фарабского лесничества Чарджоуского лесхоза, Сакарчагинского лесничества Марыйского лесхоза и Рометан-ского лесничества Шафирканского лесхоза. Участкам присваивались номера, например, ІФЕС или ІРЕЧ, где цифрами обозначен номер участка, буквами принадлежность его к месту нахождения, типу насаждения и виду растения (в дальнейшем следует читать Ф-Фарабское, С-Сакарчагинское и Р-Рометанское лесничества, Е-естественные насаждения, С-саксаул и Ч-черкез).
Сбор семян с элементарного слоя веток
Схема сбора семян с элементарного слоя представлена на рис.4.2. Предполагается, что все семена в этом слое находятся в одинаковых условиях, то есть обдуваются воздушным потоком одной и той же скорости vB ц характеризуются одинаковой силой связи с побегами.
Пусть в исходном состоянии в начальный момент времени 1=0 в слое было N семян. Определим количество M(t) семян, снятых воздушным потоком за время I обработки элементарного слоя,
Семена удерживаются на побегах некоторой силой связи. Для снятия семени воздушным потоком необходимо, чтобы аэродинамическая сила превысила силу связи. Величина аэродинамической силы, воздействующей на конкретное семя, зависит от многих факторов и в первую очередь от скорости воздушного потока, площади поверхности, формы и ориентации крылаток относительно направления воздушного потока, положения центра силы связи семени с побегом, направления побега. Основная часть факторов, относящаяся к свойствам семян и побегов различна для различных семян и характеризуется случайным распределением. Кроме того, указанные факторы постоянно меняют свои значения под воздействием воздушного потока, который деформирует крылатки, побеги и ветви. Все это обуславливает случайную закономерность попадания семян в благоприятные или не благоприятные для отделения воздушным потоком условия. Бели в данный момент некоторые семена находились в условиях, не благоприятных для отделения, то есть в условиях, при которых аэродинамическая сила не достигает критической величины, то в следующий момент времени из-за случайных изменений условии эта сила будет превышать критическую и семя будет находится в благоприятных для отделения условиях.
В связи со случайным характером изменения аэродинамической силы, семена отделяются воздушным потоком не все одновременно. Существует некоторая закономерность, определяющая зависимость полноты сбора семян от времени воздействия на них воздушным потоком заданной скорости.
Обоснование технологической схемы сбора семян
Анализ литературных и ведомственных материалов по испытаниям опытных образцов машин для сбора семян саксаула, черкеза, клёна, ясеня и терескена и результаты определения физико-механических свойств растений и семян саксаула и черкеза позволяют сформулировать рекомендации для осуществления процесса в следующем, виде.
По срокам созревания семян и состоянию их связей с плодоносящей ветвью выделены два агротехнических периода работы семя-уборочных устройств:
- доморозный, начало которого определяется по вступлению семян в стадию биологической спелости, в свою очередь определяемую по целому ряду признаков /61/;
- послеморозный, определяемый по первому снижению температуры окружающего воздуха 0..тЗоС, и характеризующийся началом интенсивного опадения семян на почву.
В течении суток также выделяются утренне-вечерние и дневные периоды, когда наблюдается существенное различие в силах связи семян с плодоносящей ветвью из-за изменения влажности.
Для интенсификации процесса отделения семян рациональным приёмом следует считать обработку кроны растений химическими препаратами повышенной гигроскопичности, например, опыление кроны порошком хлористого кальция с нормой расхода не менее 5 г/м2 поверхности кроны.
Сбор семян должен осуществляться поярусно с расстановкой рабочих органов устройства в зависимости от высоты наибольшего сосредоточения урожая.
Глубина обработки кроны должна быть не менее 0,7 м от периферийных точек поверхности.
Сила, отделяющая семена от плодоэлементов, должна быть в пределах 0,9...1,1Н. При значении действующих сил менее 0,9Н происходит снижение полноты отделения семян; при действии силы более ІДН - повышается засорённость собираемого вороха.
Засорённость собираемого вороха семян саксаула должна быть не более 40 %, черкеза 30 %.
Полнота сбора семян с растений должна быть не менее 50 %, при полноте улавливания 70 % и повреждении семян не более 2,0 %.
Всхожесть семян саксаула и черкеза, собранных механизированным , способом, не должна быть меньше, чем при ручном сборе.
