Содержание к диссертации
стр.
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.... 16
1.1. Краткая история и основные тенденции развития горного и
предгорного садоводства в условиях рыночной экономики 16
Природно-климатические особенности садоводства 25
Анализ основных способов террасирования 51
Краткий анализ исследований по технологии террасного садоводства 60
1.5. Анализ конструктивных разработок машин по уходу за плодовыми
деревьями 65
Классификация и анализ конструкций косилочных устройств 65
Классификация и анализ конструкций машин и режущих аппаратов для детальной и контурной обрезки плодовых деревьев 72
1.5.3. Анализ конструкций машин для уборки древесных отходов с
утилизацией обрезков кроны плодовых деревьев 98
Основные принципы системного подхода к решению поставленных задач 102
Выводы по главе, цель и задачи исследования 105
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ УХОДА
ЗА ПЛОДОВЫМИ ДЕРЕВЬЯМИ 108
Особенности выращивания садов на террасированных склонах 108
Технологии устройства террас 112
Основные направления по террасированию горных склонов 112
Технология устройства террас с сохранением гумусового слоя 117
Средства механизации для ускоренного досооружения террас 125
2.3. Технология размещения, закладки и формирования плодовых деревьев
на террасах 130
Способы размещения плодовых деревьев на террасированных склонах 130
Особенности закладки и формирования плодовых деревьев на террасах 138
2.4. Технологии ухода за почвой и растительностью в садах на
террасированных склонах 150
Технологии ухода за кроной плодовых деревьев с утилизацией отходов. 153
Концепция ресурсосберегающей технологии по уходу за плодовыми деревьями на террасированных склонах 160
2.7. Выбор ресурсосберегающего способа движения агрегатов на
террасированных склонах 166
2.8. Выводы по главе 171
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ СРЕДСТВ МЕХАНИЗИРОВАННОГО УХОДА ЗА ПЛОДОВЫМИ ДЕРЕВЬЯМИ... 173
3.1. Средства механизированного ухода за кроной плодовых деревьев 173
Обоснование и значение геометрических параметров зубьев пил для срезания ветвей плодовых деревьев 180
Влияние скорости резания на процесс обрезки плодовых деревьев 188
Исследование энергоемкости срезания ветвей плодовых деревьев пилами ручных электроинструментов 195
Обоснование и разработка ресурсосберегающих сменно-модульных машин для ухода за плодовыми насаждениями на террасированных склонах 199
Обоснование гидравлической схемы контурного обрезчика плодовых деревьев МКОТС 204
3.1.6. Обоснование способа резания и рабочего органа контурного
обрезчика 207
3.2. Средства механизированного ухода за почвой и растительностью в
садах на террасированных склонах 216
Обоснование конструктивных параметров и режимов работы машины для скашивания растительности вокруг штамба 216
Обоснование конструктивных параметров и режимов работы фронтальной косилки для работы в междурядьях сада 225
Обоснование конструктивных параметров и режимов работы косилки-измельчителя растительных и древесных отходов 230
Средства уборки древесных отходов с утилизацией обрезков кроны плодовых деревьев 232
Выводы по главе 240
ГЛАВА 4. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 242
Программа экспериментальных исследований 242
Методика проведения экспериментальных исследований 243
4.2.1. Методика исследования некоторых физико-механических свойств и
размерных характеристик ветвей плодовых деревьев в условиях горного и
предгорного садоводства 243
Методика экспериментального исследования электроветкорезного агрегата для детальной обрезки плодовых деревьев в условиях горного и предгорного садоводства 248
Методика определения основных параметров и режимов работы контурного обрезчика 252
Методика исследования влияния основных параметров контурного обрезчика на энергоемкость срезания ветвей плодовых деревьев 255
4.2.5. Методика экспериментального исследования рабочих органов
ротационных косилок для скашивания растительности с полотна террас 260
Методика обработки результатов экспериментальных исследований 261
Выводы по главе 270
ГЛАВА 5. ОПТИМИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
РАЗРАБОТАННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ 271
5.1. Оптимальные парахМетры средств механизации по уходу за кроной
плодовых деревьев 271
5.2. Оптимальные парахМетры разработанных почвозащитных средств
механизации по уходу затеррасахМи в горном садоводстве 289
5.3. Выводы по главе 307
ГЛАВА 6. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ
РАЗРАБОТАННЫХ ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ 308
Общие положения по испытанию технологий и машин 308
Производственные испытания электроветкорезного агрегата 309
6.3. Производственные испытания контурного обрезчика плодовых
деревьев 318
6.4. Результаты производственных испытаний подборщика-измельчителя 323
6.5. Производственные испытания средств механизации по уходу за
почвой и растительностью на террасах 327
Результаты апробации в производственных условиях разработанных ресурсосберегающих машинных технологий 334
Выводы по главе 340
ГЛАВА 7. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНОЛОГИИ И
СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ 343
Основные показатели эффективности результатов исследований 343
Результаты исследования некоторых физико-механических свойств и размерных характеристик ветвей плодовых деревьев 345
Эффективность применения разработанной технологии устройства террас 349
Экономическая эффективность технологии закладки и размещения плодовых деревьев на террасах 352
Результаты использования разработанной технологии и средств ухода
за почвой и растительностью в садах на террасах 354
Эффективность разработанной технологии и средств ухода за кроной плодовых деревьев с утилизацией древесных отходов 355
Общая экономическая эффективность результатов исследований 361
Выводы по главе 363
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
ОСНОВНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 364
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 371
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 374
ПРИЛОЖЕНИЯ 394
Введение к работе
Актуальность темы. Плоды и ягоды имеют исключительно важное значение в жизнедеятельности человека, без них невозможно обеспечить полноценного и сбалансированного питания, особенно детского.
Отрасль садоводства с ее специфическим конечным продуктом - плодами, обязательность и незаменимость которых в «продуктовой корзине» уже никем не опровергается, с потенциальными возможностями высокой экономической эффективности, с созидающей художественно-эстетической социальной направленностью можно достаточно уверено отнести к национально значимым производствам страны.
Фрукты используются не только как элемент питания, но также и в оздоровительных целях при лечении различных заболеваний.
Садоводство - это отрасль здоровья. Плоды и ягоды - один из основных источников обеспечения человеческого организма витаминами, минеральными веществами, антиоксидантами, биологически активными веществами, крайне необходимыми для нормальной жизнедеятельности человека.
Помимо употребления плодов и ягод в свежем виде, их используют как сырье в пищевой промышленности, сухофрукты, перерабатывают в различные консервы, варенье, желе, мармелад, пастилу и др.
Древесина некоторых плодовых деревьев (орех, яблоня, груша и др.) обладает высокими технологическими свойствами и очень ценится в деревообрабатывающей промышленности, так как не содержит смолы.
Листья, кора и другие части растений нередко используются в красильном и кожевенном производстве для изготовления устойчивых красок и дубильных веществ, а также для лекарственных целей.
Особенно ценными питательными и целебными свойствами обладают фрукты, выращиваемые в горных и предгорных условиях. Плоды со склонов отличаются высокой экологической чистотой и отличными потребительскими качествами.
Благодаря лучшей аэрации кроны и ее освещенности, деревья на склонах в меньшей мере чем на равнине поражаются грибными болезнями, а это способствует снижению затрат на проведение защитных мероприятий.
В горных засушливых, степных и лесостепных районах садоводство имеет большое мелиоративное значение, сады укрепляют склоны от разрушения ветровой и водной эрозиями и уменьшают испарение влаги из почвы, способствуют накоплению снега.
Таким образом, сады на склонах отличаются рядом положительных хозяйственных и технологических качеств и их выращивание представляет собой важную народно-хозяйственную задачу. Эта задача вытекает из того факта, что садоводство выполняет не только продовольственные и лечебно-профилактические функции, но и социально-экономические. По статистическим данным в сфере индивидуального садоводства занято свыше 160 тысяч взрослого населения Кабардино-Балкарской Республики, в том числе около 1,5 тыс. человек занято товарным садоводством.
Анализ показывает, что горное садоводство здесь является не только эффективным средством борьбы с эрозией, но и мощным рычагом поднятия экономики республики. Однако оно пока еще не дает должной экономической отдачи.
В связи с этим следует отметить, что садоводство это не только отрасль, производящая плодово-ягодную продукцию, обеспечивающая занятость и определенный уровень жизни сельского населения, но и средство воспроизводства среды обитания и производственного потенциала.
За последние 5-6 лет резко возросла витаминная недостаточность, уменьшилось потребление углеводов в виде овощей и фруктов. В настоящее время более 70% населения России испытывает авитаминоз, что является одной из причин преждевременного развития многих заболеваний, сокращения продолжительности жизни, увеличения смертности детей.
В соответствии с физиологическими нормами питания суточное потребление только свежих фруктов для различных групп населения колеблет-
ся в диапазоне 200...500 г [4].
Однако объем потребления их в Российской Федерации значительно ниже минимально необходимого уровня. За последнее десятилетие производство плодов и ягод на душу населения составило в среднем по России всего 31 кг при норме потребления 100 кг. За счет собственного производства в России удовлетворяется лишь 25-30% научно-обоснованной нормы потребления плодов и ягод. Некачественное питание оказало значительное влияние на здоровье и продолжительность жизни россиян, что привело к сокращению численности населения страны.
Для обеспечения потребностей населения в плодово-ягодной продукции производство ее необходимо увеличить более чем в 6 раз. Весь прирост планируется получить как за счет реконструкции существующих, так и путем закладки новых интенсивных насаждений на площади около 1,5 млн. га. Реализация этих планов потребует отвода дополнительных площадей земельных ресурсов в наиболее благоприятных для садоводства, по климатическим условиям, регионах страны.
Горные и предгорные склоновые земли в России размещены в основном на юге страны, в том числе в Северо-Кавказском регионе, наиболее благоприятном для сельскохозяйственного производства. Это Краснодарский и Ставропольский края, Кабардино-Балкария, Северная Осетия - Алания, Дагестан, Чеченская и Ингушская республики (П.Г. Шитт, 1948; П.Г. Лучков, 2000 и др.).
В Северо-Кавказском регионе сосредоточено около 30% площадей занятых под плодово-ягодные культуры, около 100% виноградников и грецкого ореха. Северный Кавказ дает 23% всей производимой в России плодовой продукции. В этом регионе более 30% территории занято горными массивами и холмистой местностью, где имеются все необходимые почвенно-климатические условия для выращивания высоких урожаев практически всех плодовых, ягодных, орехоплодных культур и винограда.
Освоение горных и предгорных склоновых земель под многолетние
культуры (плодовоягодные, виноград, чай, цитрусовые и др.) позволят заложить плантации этих культур на горных богарных землях и освободить от них плодородные орошаемые земли долин для развития на них овощеводства, бахчевых, зерновых и других пропашных культур.
В условиях рынка очень важным является и то обстоятельство, что стоимость земли на склонах значительно (в несколько раз) ниже, чем на равнине. Возможность выращивания в горах и предгорьях фруктов без орошения (либо с минимальными затратами поливной воды) сводит к минимуму и затраты на водные ресурсы. По названным причинам выращенные в горах и предгорьях фрукты будут иметь небольшую себестоимость, чем на равнине, а их производство способно выдержать конкурентную борьбу на рынке [131].
Одним из наиболее эффективных методов освоения горных склоновых земель под сады является террасирование. Террасы способствуют предотвращению эрозионных процессов и накоплению влаги, а также создают необходимые условия для эффективной работы средств механизации. Однако практика освоения склоновых земель под плодовые насаждения часто приводит к таким нежелательным последствиям, как водная и ветровая эрозия почвы.
Следует подчеркнуть, что сложные природные условия в горной зоне, расчлененный рельеф, интенсивное механическое воздействие на почву, применение на склонах технологий и машин равнинного садоводства приводят к усилению эрозионных процессов и снижению почвенного плодородия. Садоводство на склонах требует еще и значительных затрат ручного труда из-за отсутствия специальных машин и технических средств механизации наиболее трудоемких технологических операций.
Наиболее актуальной проблемой в горном и предгорном садоводстве является уход за многолетними насаждениями. Доля трудовых затрат на эти процессы составляет 44%, а энергетических - 49,4%. Специфика интенсивного горного садоводства требует комплексного подхода к повышению эффек-
тивности, снижению трудовых и энергетических затрат на производственных процессах ухода за плодовыми деревьями с учетом экологических и социальных требований,
В настоящее время отечественная промышленность практически прекратила выпуск машин для ухода за садами, среди которых очень актуальны машины для детальной и контурной обрезки деревьев, для подбора, измельчения и утилизации срезанных ветвей, для скашивания растительности на мульчу в ряду и в междурядьях. Производством отдельных машин для садоводства без их увязки в систему занимаются отдельные НИИ и НПО, что не в полной мере решает проблему механизации садоводства.
Уровень механизации в садоводстве составляет в настоящее время 60%, а в некоторых хозяйствах - 30%. Чтобы поднять этот уровень выше, необходимы законченные научно-исследовательские разработки по механизированным ресурсосберегающим технологиям и комплексам машин с учетом современных требований к горному и предгорному садоводству (экология, почвозащита, залужение, задернение и т.п.). Высокую трудоемкость, например, имеет обрезка кроны и утилизация обрезков. Так, из 473 чел-ч трудовых затрат при возделывании 1 га яблоневого сада на обрезку требуется 386 чел-ч, а на обрезку 1 га вишни - 190 чел-ч. Это свидетельствует о немедленном первоочередном совершенствовании технологии обрезки и утилизации обрезков, которая сейчас ограничивается сжиганием с нарушением экологии.
В связи с этим особое внимание также следует уделить изучению и учету условий работы как существующих, так и разрабатываемых новых садовых машин. Без этого трудно технически грамотно решать вопросы создания и использования новой садовой техники. Так, например, угол склона, ширина полотна террас, габитусы крон, способы и схемы размещения плодовых деревьев на полотне террас и др. изменяются в широких пределах. Исходя из этого, изменяются конструкции и параметры проектируемых машин. Поэтому изучение и учет условий работы машин следует считать одной из
важнейших при создании технических средств ухода за кроной.
Однако созданию машин и комплексов для механизации технологических операций ухода за плодовыми деревьями должна предшествовать тщательно продуманная технология, отвечающая специфическим требованиям горного и предгорного садоводства.
Соответственно методам решения аналогичных взаимосвязанных задач, для разработки ресурсосберегающих технологических процессов и технических средств ухода за плодовыми деревьями в садах на террасированных склонах необходим многоуровневый системный подход. Общие принципы применения такого подхода разработаны в [225], они применимы и в данном случае.
Только на основе такого подхода в современных рыночных условиях возможно получение максимальной прибыли. В конечном счете стоит задача наиболее полного обеспечения народнохозяйственных потребностей в плодах и ягодах.
Предварительный анализ литературных источников по исследуемым вопросам показал, что применительно к технологическим процессам и техническим средствам по уходу за плодовыми деревьями на склонах еще не разработаны ресурсосберегающие методы математического моделирования этих процессов.
На основании изложенного можно заключить, что разработка ресурсосберегающих технологических процессов и технических средств для ухода за плодовыми деревьями в садах на террасированных склонах путем математического моделирования сложных производственных процессов является актуальной научной проблемой, имеющей важное общегосударственное значение. Повышение эффективности при этом достигается путем обоснования оптимальных ресурсосберегающих технологий и технических средств для ухода за кроной, почвой и растительностью на террасах.
При этом достигается комплексное решение всего круга рассмотренных выше взаимосвязанных задач благодаря широкому применению совре-
менных системных методов математического моделирования всех технологических операций от выбора перспективных технологий устройства террас до разработки почвозащитных технологий ухода за плодовыми деревьями с использованием ЭВМ.
Под ресурсосбережением подразумевается обеспечение экономного использования сырья, материалов, топлива, трудовых ресурсов при производстве плодов и регламентированном использовании технических средств по назначению.
Изложенные общие закономерности характерны для всех регионов, занятых горным садоводством, поэтому основные результаты исследований применимы практически в любых горных садоводческих хозяйствах.
Таким образом, сегодня и на ближайшую перспективу крупной проблемой горного садоводства и важным резервом в решении продовольственной задачи является эффективное использование склоновых земель горных регионов под плодовые насаждения. Поэтому разработка противоэрозионных ресурсосберегающих технологических процессов и комплексов технических средств для их выполнения, значительно снижающих трудоемкость основных работ в горном садоводстве и предотвращающих эрозионные процессы, является актуальной проблемой.
Проблема разрабатывалась с 1986 года в соответствии с планом научно-исследовательских работ Закавказского отделения ВАСХНИЛ отраслевой программы по разделу 03.02.Т «Разработать и внедрить эффективные технологии возделывания многолетних культур интенсивного типа на склоновых участках предгорных районов», этапы Тіа, Т]б, заданием Главного управления сельхозвузов МСХ РФ за номером №430-20/П, тематическим планом НИР Северо-Кавказского НИИ горного и предгорного садоводства согласно государственным контрактам с Департаментом науки и технического прогресса МСХРФ№>№ 178.2.26.99, 179.2.26.99, 180.2.26.99,524.
Цель исследований - обоснование ресурсосберегающих технологий и средств механизированного ухода за плодовыми деревьями на террасиро-
ванных склонах.
Объект и предмет исследований. Террасы, почвы, травяная растительность, плодовые деревья, древесные отходы (срезанные ветви), машины по уходу за многолетними насаждениями и их рабочие органы, процессы взаимодействия рабочих органов машин и объектов обработки в формировании урожая горных и предгорных садов.
Методы исследований выбирались на основе системного подхода к решению основных задач определяемых целью работы.
При выполнении работы применялись методы математического моделирования производственных процессов, планирования многофакторного эксперимента, а обработка экспериментальных данных производилась с использованием стандартного пакета прикладных программ для ПЭВМ MathCAD 2000.
Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждены результатами экспериментальных и лабораторно-полевых исследований, множественными численными экспериментами на ЭВМ, положительными результатами межведомственных испытаний разработанных и внедренных в сельскохозяйственное производство машин.
Научная новизна. Разработаны перспективные научно обоснованные ресурсосберегающие технологии и средства террасирования склонов, а также ухода за садом, обеспечивающие сохранение гумусового слоя, оптимальное размещение плодовых деревьев, мульчирование древесными отходами и травянистой растительностью для защиты и повышения плодородия почвы.
Практическая значимость результатов исследований. Разработанные ресурсосберегающие почвозащитные технологии и технические средства для ухода за садами на террасированных склонах одобрены МСХ КБР, координационным Советом по системам машин, признаны фактом публикации в справочном издании «Агрохимия и техника для сельского хозяйства в России» (г. Ростов-на-Дону, 2003 г.) и отмечены дипломами Международных и Республиканских выставок, дипломом и золотой медалью на Российской
сельскохозяйственной выставке «Золотая осень» (г. Москва, 2003 г.).
Результаты исследований положены в основу многих разработок почвозащитных ресурсосберегающих технологических процессов и конструк-торско-технологических схем, позволили оптимизировать параметры рабочих хмашин для мульчирования растительности в ряду и междурядьях для обрезки, подбора и измельчения ветвей, а также для ряда новых типов машин, включенных в Систему машин (решение от 2 октября 1987 года).
По результатам проведенных исследований автором выпущены 1 монография, 2 брошюры, 2 наименования методических материалов и указаний, получен 1 патент. Автор является также научным руководителем аспирантов и соискателей.
Реализация результатов исследований. Разработанные технологии и средства террасирования склона, а также ухода за плодовыми деревьями применяются в ФГНУ СКНИИГПС, Северо-Кавказским научно-исследовательским институтом горного и предгорного сельского хозяйства (РСО-А), Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академией в учебном процессе, а образцы новых почвозащитных ресурсосберегающих машин, изготовленных в ОАО «Нальчикский машиностроительный завод», внедрены в 1998-2003 гг. в садоводческих хозяйствах Кабардино-Балкарской Республики.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на Республиканской научно-практической конференции СКНИИГПС (г.Нальчик, 1994 г.), научно-практических конференциях КБГСХА (г. Нальчик, 1988-2001 гг.), Международной научной конференции (в рамках СНГ) «Почвозащитные адаптивные технологии горного и предгорного садоводства» (г. Нальчик, 1997 г.), научно-практической конференции «Горные и склоновые земли России. Пути предотвращения загрязнения и восстановления их плодородия» (РСО-Алания, 1998 г.), научно-практической конференции Юга России «Производственный потенциал и его использование в условиях рынка» (г. Владикавказ, 2000 г.), Международной практиче-
ской конференции «Экологически безопасные технологии в сельскохозяйственном производстве XXI века» (г. Владикавказ, 2000 г.), научном семинаре Института информатики и проблем регионального управления КБНЦ РАН (г. Нальчик, 2001, 2002 гг.), на Международной научно-практической конференции, посвященной 135-летию академика В.П. Горячкина, МГАУ (г.Москва, 2003 г.), на научно-техническом совете Министерства сельского хозяйства Кабардино-Балкарии (г. Нальчик, 2004 г.).
Результаты исследований также докладывались на заседаниях научно-методических советов РАСХН по механизации садоводства, по проблеме «Механизация горного земледелия», по горному земледелию, координационного Совета РАСХН и стран СНГ по садоводству, Межрегионального центра сельхозмашиностроения «Северный Кавказ» МСХ РФ и РАСХН, Совета «Союза садоводов России».
Разработанные почвозащитные средства механизации экспонировались на Республиканских выставках научно-технических достижений (г. Нальчик, 1990, 1995, 1999 гг.), 1-й Международной выставке-ярмарке «Интерагромаш-98» (г. Ростов-на-Дону, 1998 г.) и отмечены дипломами.
Лично автором получены и выносятся на защиту:
перспективные механизированные технологии и процессы ухода за почвой, растительностью и кроной плодовых деревьев на террасированных склонах;
ресурсосберегающий технологический комплекс машин для механизации основных работ по уходу за плодовыми деревьями на террасированных склонах;
более эффективный способ террасирования горных склонов с сохранением гумусового слоя почвы;
методика обоснования оптимальных параметров и режимов работы механизированного ухода за почвой и кроной плодовых деревьев;
сменно-модульный технологический комплекс машин на базе модернизированного контурного обрезчика МКОТС.
