Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы ухода за садом, цель и задачи исследования 11
2. Методологические основы энергосбережения в технологии ухода за насаждениями в интенсивном садоводстве 67
3. Оптимизация параметров и режимов работы агрегатов по уходу за многолетними насаждениями 100
4. Программа и методика экспериментальных исследований 148
5. Результаты экспериментальных исследования 176
6 Экономическая эффективность энергосберегающей технологии ухода за садом 253
Основные выводы 255
Список использованных источников 261
Приложения 287
- Состояние проблемы ухода за садом, цель и задачи исследования
- Методологические основы энергосбережения в технологии ухода за насаждениями в интенсивном садоводстве
- Оптимизация параметров и режимов работы агрегатов по уходу за многолетними насаждениями
- Программа и методика экспериментальных исследований
Состояние проблемы ухода за садом, цель и задачи исследования
Важнейшей задачей интенсивного садоводства является увеличение производства плодов при резком снижении затрат энергии. Для нормального функционирования человеческого организма необходимая норма потребления свежей плодово-ягодной продукции составляет 91 кг, в том числе плодов - 65 кг, винограда - 10, ягод культурных растений - 4 кг, цитрусовых - 5 кг, и др. (рекомендации ВНИИ садоводства им. Мичурина и Института питания АМН). К сожалению, эти нормативы далеко не выполняются. Так, в России производство плодов и ягод на душу населения составляет в среднем 15-20 кг.
Выполнение этой актуальной социально-экономической задачи по росту производства плодов более чем в 4 раза возможно за счет реконструкции существующих и закладки новых интенсивных насаждений, а также за счет более совершенных энергосберегающих технологий производства плодовых культур, в том числе и на склонах.
Изучению технологических процессов возделывания плодовых культур на склонах посвящены работы А.П, Драгавцева, В.П. Пономарчука, Е.Г. Раузина, Н.С. Львина, М.М. Мирзаева, П.Г. Лучкова, М.Н. Фисуна, И.Ф. Инденко, Л.Ф. Дизенгофа, Н.И. Семенова, И.М. Демченко, Г.Г.Белобородова, В,И. Метревели, З.А. Хантандзе, Ц.Е. Мирцхулава, Х.И. Мустафаева, A.M. Умирова, Р.С. Шидакова,М.Ш. Ахмедова, М.М. Мурсалова, А.К. Каирова, Х.Ж. Балкарова, В.Ф. Кузнецова, П.В.Иванова, В.А, Фостикова, П.Д. Поповича, Р. Ергасяна, У.Г.Аракеляна, Ф.С. Федотова, С.Н. Хабарова, В.И. Климова, В.А.Потапова, М.П. Шубича, В.А. Федорова, А.С. Пронь и др. [1, 3, 4, 6, 11, 14, 15, 19, 22, 28, 35, 36, 38, 41, 43, 52, 58, 97, 101, 116, 122].
Вопросам механизации технологических процессов по уходу за плодовыми насаждениями посвящены работы П.А. Лукашевича, Е.Э. Дибнера, Г.П.Варламова, Х.А. Хачатряна, В.И. Турбина, А.Ф. Ульянова, Р.Я.Ягубяна, И.М. Федотова, В.Д. Бартенева, Ю.А. Уткова, И.С.Кикабидзе, Б.В. Бычкова, В.Х. Кульчиева, В.К. Кутейникова, А.М.Кротова, И.М. Брутера, М.Д. Мокана, А.В. Четвертакова, В.Я.Зельцера, Б.Э. Темирханова, И.Б. Беренштейна, А.А. Цымбала, И.А.Стоюшкина, В.А. Федорова, В.А. Бондарева, А.С. Пронь идр.
Проблемам энергосбережения сельскохозяйственного производства, экологизации технологий в растениеводстве за счет ультрамалообъемного опрыскивания повышению технического уровня машин в АПК посвящены работы академиков Шевелухи B.C. [249], Кормановского Л.П. [128-129], Краснощекова Н.В. [135], Ю.А. Уткова [231], Кряжкова В.М. [138], Погорелого Л.В. [194-196], и др.
Анализ состояния и перспектив развития механизированных технологических процессов возделывания плодовых культур на склонах глубоко рассмотрен в целом ряде работ Л,А. Шомахова [254-278], в которых изложены состояние вопроса, выбор и обоснование технологических процессов и технических средств, намечены перспективы комплексной механизации трудоемких процессов в горном садоводстве.
Несмотря на большой объем выполненных исследований по проблемам садоводства, в технологии возделывания имеются еще не решенные проблемы, включая и операции ухода. Садоводство и виноградарство по - прежнему остаются трудоемкими отраслями сельского хозяйства с еще значительными затратами ручного труда. Профессор Г.П. Варламов [42], отмечает, что главной причиной высоких трудозатрат является отсутствие средств механизации для обрезки, вывозки и измельчения ветвей плодовых деревьев. По данным исследований Н.Г. Черненко только по Молдавии на утилизацию отходов обрезанных ветвей плодовых деревьев ежегодно расходуется около 2 млн. руб. (Н.Г. Черненко, 1985). Также низка эффективность работы существующих машин для обработки почвы, удаления поросли и растительности в приствольной полосе. Многие вопросы агрономического и экологического характера требуют еще дополнительного изучения.
Обзор имеющихся работ показывает, что недостаточное внимание уделяется разработке почвозащитных ресурсосберегающих технологических процессов для садоводства и комплексов машин для их выполнения. В них отсутствуют комплексный системный подход к садоводству как к единой целостной системе, состоящей из множества природных и антропогенных факторов. Работы выполнены разными авторами в различных регионах и, как правило, исследованы отдельные явления или процессы. При изучении технологических процессов и разработке машин авторы сосредотачивали свое внимание на одной какой либо операции и не рассматривали весь технологический процесс во взаимосвязи и с учетом экологических, почвозащитных и социальных требований.
Освоение и производство плодов должны основываться на тщательно продуманной энергосберегающей технологии, отвечающей всем требованиям интенсивного садоводства и быть оптимальной для механизации производственных процессов. Нужно еще иметь в ввиду, что технология садоводства должна быть гибкой и адаптивной к быстро изменяющимся условиями возделывания.
Методологические основы энергосбережения в технологии ухода за насаждениями в интенсивном садоводстве
Актуальной задачей в специализированном плодовом подкомплексе является повышение продуктивности насаждений с одновременным снижением энергоемкости и себестоимости производства плодов. За последние годы накоплен большой опыт по селекции высокоурожайных плодовых культур и их механизированному возделыванию, однако, многие операции остаются еще слабо-механизированными и поэтому еще велика доля ручного труда.
Анализ данных технологических карт на возделывание и уборку яблонь на разных фонах и типах плодовых насаждений позволяет сделать следующие выводы. В целом затраты ручного труда на производстве яблок составляют 65 до 87 %. Особенно выделяются по затратам ручного труда и энергоемкости такие виды сельхозработ как уход за кроной, борьба с вредителями и уборка урожая. При уходе за плодоносящим садом затраты труда на эти виды работ соответственно составляют: 36,4 %; 8,2 % и 54 от общих затрат, а расход топлива - соответственно 13,1; 36,4 и 41 %. При уходе за яблоневым садом, вступающим в плодоношение, доля затрат труда на уход за кроной составляет 38 %, борьбу с болезнями и вредителями -14.1, уборку урожая - 40, 7%. Аналогичные данные получены и по другим типам насаждений яблонь и др. видов культур (груши, сливы и т.п). Особенно следует выделить высокие затраты труда и средств на борьбу с болезнями, вредителями и сорняками, что является следствием нарушения агротехнологии, неполного учета агроэкосферных закономерностей, нарушения принципов системного подхода к проблеме. В частности, имеющее место сплошное задернение почвы, излишнее затененное приствольного пространства, не использование преимуществ черного пара в молодых садах и т.п. оказывает отрицательное воздействие на рост и развитие плодовых насаждений. В то же время учет этих факторов во многом будет способствовать решению проблемы ресурсосбережения.
Одним из главных резервов энергосбережения в садоводстве является механизация производственных процессов на базе новых технологий выделывания. Анализ последних достижений науки в этой области позволил сформировать концептуальную схему энергосбережения при уходе за многолетними насаждениями (см. рис.2.1). Она включает окультуривание почвы в междурядьях сада (черный пар в междурядьях молодого сада и уход за ним, задернение после 2-3-летнего пара, плющение растительности в междурядьях, нарезка глубоких щелей в междурядьях деревьев с внесением удобрений и заполнением щелей соломой), детальную обрезку кроны веткорезными агрегатами, подбор срезанных ветвей, измельчение и разбрасывание щепы подборщиком - измельчителем, рыхление почвы в приствольной зоне с подкормкой деревьев, контурную обрезку деревьев с измельчением и разбрасыванием щепы или сбором ее в бункер, ультра малообъемное опрыскивание деревьев.
Многочисленными исследованиями доказано преимущество черного пара для молодого сада в условиях равнинного садоводства, где отсутствует водная эрозия. Черный пар с операциями ухода за ним садовыми культиваторами с приспособлениями для приствольной обработки обеспечивает быстрый рост и развитие саженцев по сравнению с другими вариантами возделывания. В последующем через 2-3 года проводят задернение междурядий за исключением приствольных кругов, где почва поддерживается в рыхлом состоянии и чистом от сорняков. Одновременно с обработкой почвы в приствольной зоне садовыми фрезами должны вноситься минеральные удобрения (подкормка в нужные фазы развития плодовых деревьев).
Доказано также преимущество задернения междурядий в саду и плющение растительности. Энергосберегающие процессы по уходу за многолетними насаждениями в интенсивном садоводстве Уход за насаждениями в саду Окультуривание почвы в междурядьях Детальная обрезка кроны веткорезным агрегатом Черный пар в междурядьях молодого сада Задернение после 2-3 -летнего пара Подбор срезанных ветвей измельчение и разбрасывание щепы подборщиком -измельчителем Уход за паром (КСГ-5) Плющение растительности в междурядьях Рыхление почвы в приствольных кругах с подкормкой деревьев Нарезка глубоких щелей в междурядьях деревьев с внесением удобрений и заполнением щелей соломой
Контурная обрезка деревьев с измельчением срезанных ветвей и разбрасыванием щепы
Исследованиями НИИ горного и предгорного садоводства (проф. Шомахов Л.А.) доказано, что наиболее рациональной и доступной системой содержания почвы в садах является задернение со скашиванием растительности на мульчу (дерново - перегнойная система) или плющение растений на склоновых участках. Мульчирование улучшает водный, температурный, воздушный режимы почвы, активизирует микробиологическую деятельность в ней, обеспечивает снижение эрозионных процессов. Мульчирование - одно из универсальных средств управления внешними и внутренними факторами стока. Мульча из травянистой растительности эффективно поддерживает запас органического вещества, азота и улучшает структуру почвы. Косилочные устройства для скашивания растительности в междурядьях должны оснащаться устройствами для окашивания штамбов плодовых деревьев. Однако в условиях горного садоводства смывается даже и слой мульчи, поэтому для решения данной проблемы предложено устройство для плющения растительности на корню без срезания и стебли остаются на поверхности в качестве мульчи.
Дерновоперегнойная система полностью заменяет трудоемкую и дорогостоящую обработку почвы в междурядьях, уменьшает количество и интенсивность обработок, снижает разрушающее воздействие на почву. Однако минимальные обработки ослабляют водопоглащающую способность почвы. Поэтому предлагается в приствольной зоне поддерживать почву в рыхлом мелкокомковатом состоянии, а в междурядьях желательно в поздние сроки проводить глубокие рыхления или щелевание с заделкой удобрений и самих щелей - соломой. Это обеспечивает перевод поверхностных вод в продуктивную влагу. Щели с заполнением их мульчирующим материалом нарезают так, чтобы не повреждать корневую систему деревьев.
Оптимизация параметров и режимов работы агрегатов по уходу за многолетними насаждениями
При разработке машины на стадии эскизного проектирования производятся оектные расчеты по определению теоретических характеристик всех деталей нематической цепи. При этом начинают расчеты с первой детали, на которую йствуют известные нагрузки, и заканчивают опорными деталями. При работе, обрезчика от ножей на вал передаются -возмущающая сила, 1яющаяся случайной функцией времени, вызывающей пространственные колебания гора и всей упругой системы с валом, то есть находится в сложном напряженном стоянии. Пространственные колебания системы рассмотрим в двух плоскостях. колебания, происходящие в плоскости, проходящей через ось вала 6 и звенья 3-2-1, рассмотрим в соответствии с расчетной схемой, представленной на рисунке 3.2. На этой схеме в первом приближении принято, что плиту 4 можно усматривать как местную неподвижную опору, с которой скреплены звенья 3-2-1 [илиндрическими шарнирами. В шарнирных опорах звеньев 3-2-1 возникают [Инамические реакции, линию действий которых обозначим стрелками (рис.3.1). На шите 4 расположены все упругие опоры вала обрезчика и привода.
Плоский диск обрезчика, закрепленный консольно на вал, передает на него ироскопический момент МП На вал от подшипников действуют упругие опорные »еакции и моменты защемления, указанные на рисунках: Riy и Miy.
Под действием вышеуказанной схемы сил вал ротора обрезчика совершает ложные изгибающе-крутильные колебания. Рассматриваемый ротор является [вухмассовым с консольно расположенным тонким дисковым ножом и на другом :онце - шкивом. Учитывается распределенная масса вала и жесткость опор.
По аналогии для всех участков ротора определяется угол поворота и прогиб, начение которых входят в выражение для реакции R и М момента в опорах. [оследние факторы и их частотные характеристики являются определяющими для ачальных условий дифференциального уравнения всей данной системы. В предыдущих уравнениях неизвестными являются амплитудно-частотные арактеристики возмущающих сил, которые определяются специальными кспериментальными исследованиями. Далее следует учесть возмущающие силы, вызываемые несколькими роторами с ожами, имеющими общее основание - опору.
Реальное отображение всего спектра динамических нагрузок с учетом многих араметров позволит подойти к вопросу об определении динамических нагрузок, еиствующих на механическую систему, изгибающих моментов, перерезывающих сил аксимальных напряжений в опасных сечениях.
В дополнение к полученной зависимости (3.2) необходимо учитывать и рутильные колебания системы (рис.3.2), которые пропорциональны возмущающей яле и позволяют по её величине или скорости перемещения одной части подсистемы пределить изменение угловой скорости или угол поворота другой части. Пренебрегая ассой вала, определим зависимость между угловыми скоростями и углами поворотов исков при их крутильных колебаниях, если моменты инерции 3, и 32 дисков гносительно оси X известны, При этом из рассмотрения исключаются все наперед неизвестные внутренние шы, а также внещние силы, линии действия которых пересекают ось вращения или I параллельны. Чтобы исключить неизвестные нам упругие силы, вызывающие элебания дисков, рассмотрим оба диска (шкив и дисковый нож) и вал как одну.
Неподвижное сечение на валу будет ближе к диску, момент инерции которого ольше. Такой подход, при котором проектирование новой машины проводится по тогам подробного обследования динамической расчетной модели агрегата, в данном лучае обрезчика деревьев, является перспективным. Он позволит оперативно олучать всю необходимую информацию по динамике и прочности будущего агрегата а основе изучения её математической модели и добиваться оптимизации онструктивных, кинематических и динамических параметров конструкции.
К основным конструктивным параметрам подборщика-измельчителя обрезков, беспечивающим дробление обрезанных ветвей, можно отнести размеры, вес и число боротов измельчающих вальцев, число ножей; размеры, место установки и скорость ращения подающих шнеков, рабочая скорость вращения агрегата. При щижении агрегата по междурядию шнеки 4 левой 2 и правой 3 секций, вращаясь [австречу друг другу, захватывают обрезки ветвей витками шнеков и падают их 1альцам 6 и 7. При попадании толстых ветвей, диаметр которых больше свободного [ространства между дисковыми ножами 8 и 9, они получают продольные надрезы от щсковых нажей 8 и 9, после чего попадают в двухвальцовую дробилку 11. Зубчатая фобилка своими зубьями 12 и 13 легко разрушает толстую, предварительно 1адрезанную ветвь, превращая ее в раздробленную массу, которая попадая во шажную разрыхленную почву быстро разлагается и способствует повышению ее шодородия.
Программа и методика экспериментальных исследований
На основании результатов теоретического анализа технологических процессов сода за многолетними насаждениями в саду нами принята следующая программа сспериментальных исследований: 1. Изучить некоторые физико-механические свойства, габитус крон и размерные характеристики обрезаемых ветвей плодовых деревьев в условиях интенсивного садоводства. 2. Определить экспериментально усилие среза ветвей яблони и энергоемкость при срезании ветвей плодовых деревьев. 3. Определить эксплуатационные и качественные показатели работы подборщика-измельчителя обрезков кроны. 4. Изучить качественные показатели работы малообъемного опрыскивателя разработанной конструкции. Кроме того, программой предусматривалось разработать методику комплексной ценки энергосберегающей технологии. При выборе и обосновании наиболее эффективного способа обрезки веток ущественное значение имеет их распределение в кроне, их размерные [арактеристики, коэффициент трения коры и древесины о сталь, плотность гоевесины, жесткость и другие свойства.
Размерные и физико-механические характеристики веток яблони 1рименительно к механизированной обрезке изучены недостаточно. Некоторые данные, имея определенную практическую ценность, не могут носить обобщающий арактер для всех пород и сортов плодовых деревьев. Эти данные о физико 149 гханических и размерных характеристиках веток плодовых деревьев не могут полностью использованы при разработке рабочих органов машины для жтурной обрезки плодовых деревьев в условиях интенсивного садоводства и проведения дополнительных исследований. Исходя из этого, нами были проведены исследования по изучению іспределения подлежащих обрезке веток в кроне, определены их размерные ірактеристики и физико-механические свойства. Исследования по изучению аспределения веток по высоте крон и их размерные характеристики проводились в щах со схемами посадки деревьев 5x1, 5x2, 5x5 м на наиболее распространенных эртах яблони - Айдаред, Джонатан в ОПХ СКЗНИИСиВ (г. Краснодар).
Исследованиями предусматривалось определение следующих показателей: - количественное распределение веток, подлежащих обрезке, по высоте крон; - диаметры веток в месте среза и длина отрезаемой части; - количественное распределение ветвей по углу наклона; - обобщающий показатель жесткости веток на изгиб; - коэффициент трения скольжения древесины веток о сталь; - статический изгиб веток. Для каждого параметра, определяющего те или иные физико-механические войства ветвей плодовых деревьев и их размерные характеристики, были [спользованы собственные и существующие методики и ГОСТы. исследование распределения веток по высоте у изучаемых сортов яблонь проводили [ри помощи планки высотой 6 м с метками через каждый сантиметр.
Диаметры веток в месте среза замерялись штангенциркулем ГОСТ 166-80 предел измерений 0,15 м, предельная погрешность измерения 50 мкм) в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях.
Изучение распределения ветвей по диаметру обусловлено агротехническими требованиями к контурной обрезке, требованиями оптимальной ширины кроны, свободного прохода для почвообрабатывающей техники и других машин. Эта сарактеристика ветви плодового дерева определяет выбор типа режущего аппарата, а также кинематических и конструктивных параметров рабочего органа.
Исследованиями (Дмитренко, Полянин В.К. Физико-механические свойства 1дземной части яблонь, Мичуринск, 1982) установлено, что в кронах всех яблонь эеобладающее большинство составляют полускелетные, обрастающие и плодовые ЇТВи длиной от 0,1 до 1,1 м, что обуславливается естественным развитием дерева. ледующей большой группой являются ветви 3-го порядка длиной 1,1 - 2,1 м. Самая ногочисленная группа у яблонь всех сортов - скелетные ветви 1 -го порядка, меющие длину 2,1 - 4,1 м. Длина отрезанных веток, выходящих в сторону междурядья, замерялись с спользованием рулетки ГОСТ-7502-80 (предел измерения 10 м). Важное значение для выбора рациональной конструкции режущего аппарата, мест наклон ветвей к плоскости контурной обрезки. Угол наклона в значительной гепени определяет ширину и высоту бруса режущего аппарата, так как при больших начениях этих размеров и наклоне ветвей навстречу движению режущего аппарата етви сначала упираются в брус, а потом отгибаются им. Изучение распределения етвей по углу наклона проводили в кронах тех же деревьев, в которых исследовали аспределение ветвей по диаметру. Угол наклона ветвей в горизонтальной плоскости змеряли угломером УБ-Хл ТУ50-18-77 (предельная погрешность измерения + 2) гломер имеет отвес на жесткой нити. В оси качания отвеса закреплена стрелка, оставляющая с осью отвеса 90. Для измерения угла транспортир плоским углом [рикладывается к ветви отвес всегда занимает вертикальное положение а стрелка [ри этом показывает отклонение от горизонтальной плоскости,
Исследования по определению стрелы прогиба ветки в зависимости от жкладываемой силы, диаметра и длины консольной части ветки, проводились с эмощью приспособления, схема которого изображена на рис. 4.1. Приспособление шючает в себя стойку 1, установленную на основании 7; мерную линейку 2, к эторой прикреплен захват 3; динамометр 4; указательную стрелку 6, установленную а стойке 1.
Для проведения опыта выбирались прямолинейные ветки длиной 30, 60, 80 мм диаметром 10, 18, 32 мм яблони сорта Джонатан. Последовательность опыта недующая: ветка 5 определенного диаметра и длины закреплялась в тисках ( рис. 4.1, эчка А ), а на свободном конце её устанавливался захват 3, который свободно еремещался с линейкой 2 в стойке 1. Через динамометр 4 прикладывалась сила, тклоняющая ветку от первоначального положения. Величина отклонения с зменением величины прикладываемой силы через каждые 10 И замерялась с омощью линейки 2. Ветку отклоняли до начала проявлений разрушения древесины. ) начале процесса разрушения судили по тому, что стрела прогиба увеличивалась, отя усилия для этого прикладывалось меньше чем прежде. Повторность опытов -ятикратная для каждого фиксированного размера ветки. Влажность веток измерялась лектронным влагомером древесины ЭВ-2К.
