3409

Работа выполнена в ГОУ ВПО Воронежская государственная лесотехническая академия

Защита состоится в 10. 00 час. в ауд. 118, на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 при Воронежской государственной лесотехнической академии (394613, г. Воронеж, улица Тимирязева, 8)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежской государственной лесотехнической академии.

Автореферат разослан «___» __________ 2006 г.

2

Актуальность темы.

Впроцессе лесовосстановления и выращивания посадочного материала

влесных питомниках имеется ряд технологических операций, связанных с взаимодействием рабочих органов машин с древесными включениями в почве и их надземными частями. К таким операциям относятся подрезка корней

ивыкопка сеянцев и саженцев, срезание поросли второстепенных древеснокустарниковых пород при расчистке вырубок и осветление культур, обрезка вершинок сеянцев в процессе их роста в питомнике и корчевание пней.

Эффективность подрезки корней сеянцев в процессе их выращивания доказана исследованиями и производственным опытом на примере хвойных пород. В ряде зарубежных стран (в США, Канаде, Мексике, Японии, Австралии, Новой Зеландии и ряде европейских стран) с целью обеспечения оптимального соотношения корней и кроны сеянцев, наряду с подрезкой корней, производят подрезку вершинок.

Насколько эти прогрессивные агротехнические приемы эффективны применительно к сеянцам дуба, ясеня и других лиственных пород, а также сосны обыкновенной, выращиваемых в питомниках лесостепной зоны, должны показать специальные исследования и разработка технологических приемов. Это позволит найти ответы на многие нерешенные вопросы, а также обосновать типы, параметры и режимы работы устройств для подрезки корней, обрезки вершин и выкопки посадочного материала. При этом должны быть обеспечены высокое качество среза, сохранение жизненно важных мелких корешков и их естественного контакта с почвой.

Срезание поросли второстепенных пород является энерго- и ресурсоемкой технологической операцией, поскольку она повторяется ежегодно в течение 15…25 лет до смыкания лесных культур. При этом поросль березы и, особенно, осины в благоприятных условиях, каковые являются в Центральном Черноземье, развивается сразу же после рубки главной породы, достигая до 150 тысяч штук на гектар высотой 1,5…2,0 м. Применяемые в настоящее время тракторные кусторезы выполнены в виде фрезерных рабочих органов

ихарактеризуются большой энергоемкостью и низкой производительностью, поскольку поступательная скорость движения агрегата составляет всего лишь 0,8…1,1 км/ч. Применению ножевых рабочих органов препятствуют пни, оставшиеся в междурядных коридорах.

Современные корчеватели удаляют пни, создавая в их корнях напряжение растяжения и разрыва, которое в кратное число раз больше сопротивления отрыву в тангенсальном направлении, то есть вдоль волокон. Этим и объясняется необходимость применения энергонасыщенных тракторов, имеющих повышенную массу, использующих мощность двигателя через движители трактора и вал отбора; низкая производительность, разрушение экологии почв, удаление большей части плодородного верхнего слоя, образование подпневых ям и локальное заболачивание, большие материальные затраты.

Фрезерование пней исключает негативное воздействие движителей трактора и корчевателя на почву, но не снижает энергоемкость, а еще более

3

увеличивает. Скалывающие рабочие органы, применяемые в машинах МУП-4 и МДП-1.5, разработаны применительно к условиям мягких пород, и поэтому они не могут быть перенесены в чистом виде для дробления пней дуба, ясеня и других твердолиственных пород. В силу этих причин машины МУП-4 и МДП-1.5 не нашли применения в зоне дубрав и широколиственных лесов. Необходимы специальные исследования и разработка математического аппарата выбора оптимальных параметров рабочих органов, учитывающих физико-механические свойства древесины.

Исходя из изложенного выше, можно сделать вывод, что в отрасли лесное хозяйство существует проблема повышения качества и снижения энергозатрат в таких технологических процессах, каковыми являются выращивание посадочного материала и лесовосстановление на вырубках. Поэтому тема диссертационной работы актуальна и своевременна.

Работа выполнена в рамках госбюджетной темы «Совершенствование технологий и машин для лесовосстановления и рубок ухода в лесах и защитных лесных насаждениях ЦЧР и Северного Кавказа» (номер госрегистрации 01.2.00. 105345) и ряда хоздоговорных тем: «Формирование кроны сеянцев в питомнике» (№ 18/04 от 25 июня 2004), «Оценка различных способов корчевания пней» (№ 16/05 от 1 июня 2005 года), «Обоснование основных параметров рабочего органа машины для удаления древесно-кустарниковой растительности» (№ 17/05 от 1 июля 2005 года, «Разработка корчевателя» (№ 18/05 от 4 июля 2005 года), «Оценка энергоемкости фрезерных рабочих органов машин для понижения пней» (№ 22/06 от 1 июня 2006 года).

Цель исследований.

Целью данной работы является разработка технологических операций и рабочих органов машин, обеспечивающих повышение качества и производительности при выращивании посадочного материала и лесовосстановлении на вырубках.

Объекты исследований.

Объектами исследований являются типы, параметры и режимы работы рабочих органов лесохозяйственных машин, используемых в технологических процессах выращивания посадочного материала и лесовосстановлении,

вкоторых рабочие органы взаимодействуют с корнями и вершинами сеянцев,

сдревесной порослью второстепенных лиственных пород и древесиной пней.

Предмет исследований.

Предметом исследований является взаимодействие рабочих органов корнеподрезчиков, вершиноподрезчиков, кусторезов, машин для удаления пней с древесной растительностью.

Методы исследований.

Научные исследования проводились с использованием дифференциального и интегрального исчислений, теории вероятностей, аналитической геометрии, теоретической механики, имитационного моделирования, экономического анализа.

Экспериментальные исследования проводились как в лабораторных, так и в полевых условиях с применением современного оборудования, позво-

4

ляющего фиксировать различные параметры работы опытных образцов лесохозяйственных машин.

Обработка результатов измерений проводилась методами математической статистики с применением современных средств вычислительной техники.

Научная новизна работы.

Разработаны технологические операции выращивания сеянцев дуба черешчатого и сосны обыкновенной в лесостепной зоне, включающие подрезку корней дуба и сосны и обрезку вершин дуба, отличающиеся тем, что в результате их применения повышается качество и интенсивность роста сеянцев. Способ стимуляции роста и развития сеянцев защищен патентом РФ № 2275788. Получены регистрационные свидетельства на базы данных №

10426, № 10427, № 10428, № 10429.

Предложена математическая модель процесса перерезания горизонтальным лезвием корней растущих сеянцев, отличающаяся учетом всех этапов взаимодействия лезвия с корнем и динамикой процесса, что позволяет установить рациональные пределы варьирования геометрических и кинематических параметров рабочего органа корнеподрезчика. Конструкция корнеподрезчика защищена патентами РФ № 2169452, № 54715.

Разработаны математические модели взаимодействия пильного и инер- ционно-рубящего рабочего органа с древесной растительностью, отличающиеся учетом геометрических и кинематических параметров рабочих органов. Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005613081 - Программа для оптимизации процесса резания древес- но-кустарниковой растительности.

Обоснованы геометрические и кинематические параметры рабочих органов кусторезов и вершиноподрезчиков, отличающихся высоким качеством выполняемых технологических операций. Получены патенты РФ № 2275007,

№ 33684, № 56115.

Разработаны математические модели процесса удаления надземной части пней ножевыми и фрезерно-скалывающими рабочими органами, отличающиеся учетом всех геометрических и кинематических параметров рабочих органов.

Практическая ценность.

Установленные биотехнические и прочностные параметры сеянцев лиственных пород и сосны под действием обрезки вершинок и подрезки корней являются исходными данными для проектирования и расчета рабочих органов.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию прогрессивных технологий, типа, параметров и режимов работы рабочих органов, а также разработанные компьютерные программы обеспечивают на стадии проектирования разработку машин и оборудования высокого технического уровня. Разработан, испытан и внедрен в производство комплекс машин, дополняющих действующие комплексы, характеризующиеся высокой надежностью, малой металлоемкостью и эффективным использова-

5

нием мощности энергетических средств, позволяющие получать высококачественный посадочный материал и обеспечивать его дальнейшее развитие в культурах. Основная часть полученных результатов принята конструкторскими и научно-исследовательскими организациями, включена в учебные программы Воронежской государственной лесотехнической академии.

Экономический эффект от внедрения новых технологий и комплекса машин показывает практическую значимость разработанных технологических процессов и средств механизации.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Предложенные технологические операции подрезки корней и обрезки вершин сеянцев дуба черешчатого и сосны обыкновенной, обеспечивающие повышение качества и интенсивность роста сеянцев. Способ стимуляции роста и развития сеянцев защищен патентом РФ № 2275788.

2.Установленные геометрические и кинематические параметры рабочих органов для подрезки корней сеянцев и саженцев, полученные на основе математического моделирования и проведения многофакторного эксперимента, обеспечивающие разработку конструкции корнеподрезчиков, защищенных патентами РФ № 2169452, № 54715.

3.Предложенные математические модели процессов обрезки вершин растущих сеянцев и поросли лиственных второстепенных древеснокустарниковых пород при осветлении культур и расчистке вырубок, позволяющие производить расчеты на стадии проектирования.

4.Установленные геометрические и кинематические параметры рабочих органов вершиноподрезчика и кустореза, позволяющие качественно выполнять технологические процессы. Конструкции вершиноподрезчика и кустореза выполнены на уровне изобретения и защищены патентами РФ №

2275007, № 33684, № 56115.

5.Разработанные математические модели процесса удаления надземной части пней ножевыми и фрезерно-скалывающими рабочими органами, позволяющие получить рациональные пределы варьирования геометрических и кинематических параметров рабочих органов.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность научных результатов и основных выводов, сформулированных в диссертации, подтверждена использованием в разработках обоснованных точных и проверенных методов, сходимостью экспериментальных и теоретических результатов и апробацией полученных результатов. Полученные данные обрабатывались методом математической статистики с использованием программы Microsoft Excel для персонального компьютера.

Достоверность результатов научных исследований также подтверждается апробацией конструктивных разработок, использованием рекомендаций, ряда математических моделей и компьютерных программ при проектировании новой лесохозяйственной техники на ведущих предприятиях лесного комплекса – ФГУ ВНИИЛМ и ФГУП ЦОКБлесхозмаш.

6

Личное участие автора заключается в определении целей и задач работы, в выполнении научно-технических исследований и анализа их результатов.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобрение на заседаниях кафедры, научных конференциях профес- сорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (1997-2006 гг.), а также на ряде международных и всероссийских научных, научно-практических и научно-технических конференций:

«Научно-технические проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса» (Воронеж, 1998 г.); «Состояние и перспективы развития механизации лесного хозяйства и лесохозяйственного машиностроения в условиях рыночных отношений» (Пушкино, 2000 г.); «Лес и молодежь ВГЛТА2000» (Воронеж, 2000 г.); « Интеграция науки и высшего лесотехнического образования, инновационная деятельность на предприятиях лесного комплекса» (Воронеж, 2002 г.); «Проблемы и перспективы лесного комплекса» (Воронеж, 2005 г.); «Наука и образование на службе лесного комплекса (к 75-летию ВГЛТА)» (Воронеж, 2005 г.); «И.В. Мичурин и агротехнические аспекты производства плодов и овощей на современном этапе» (Воронеж, 2005 г.); «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 работ, включая 1 монографию, 15 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК, 8 патентов РФ, 10 авторских свидетельств на программное обеспечение и базы данных.

Реализация работы. Разработанные технологические операции выращивания посадочного материала в лесных питомниках, новые конструкции корнеподрезчика, вершиноподрезчика, кустореза, машины для удаления пней, а также результаты научных исследований были внедрены в Воронежской государственной лесотехнической академии, ФГУ ВНИИЛМ и ГУ Телермановское Опытное лесничество института лесоведения Российской Академии наук, ОАО «Балтийский ЛПХ», Новохоперском лесхозе.

Объём и структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений.

Общий объём работы составляет 453 страниц, из них 356 основного текста и 97 страниц приложений. Работа включает 179 иллюстраций, 59 таблиц и 206 наименований использованных источников, в том числе 42 иностранных.

Постоянное внимание и оказание помощи со стороны научного руководителя И.М. Бартенева и других сотрудников кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин сделали возможным завершение исследований и оформление работы в установленные сроки. Всем лицам, оказавшим внимание и поддержку, автор выражает искреннюю признательность.

7

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Изложено содержание диссертационной работы, показаны актуальность и научная новизна выполненных исследований, их практическая значимость, результаты внедрения, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе представлен анализ научных работ по проблеме лесовосстановления. Большое количество технологических операций при выращивании лесных культур связано с взаимодействием рабочих органов с древесиной различного возраста и с разными физико-механическими параметрами. К таким операциям относятся: удаление пней, срезание поросли второстепенных пород при осветлении культур, подрезка корней и обрезка вершин у сеянцев в процессе их выращивания в лесных питомниках.

Вопросами лесовосстановления занимались такие ученые как И.М. Зима, Т.Т. Малюгин, А.И. Баранов, Г.А. Ларюхин, П.С. Нартов, И.М. Бартенев, В.Н. Винокуров, А.М. Цыпук, Л.Т. Свиридов, В.И. Казаков, Ф.В. Пошарников, П.И. Попиков и др.

Удаление пней производится в основном путем их корчевания, за счет создания усилий, превышающих результирующие силы сопротивления, складывающиеся из сил трения почвы по дереву и сопротивления корней разрыву при их растяжении. Корчевание пнейэто дорогостоящая и малопроизводительная операция, сопровождающаяся значительными экологическими нарушениями (удаление плодородного слоя почвы до 60 % с территории вырубки, полное разрушение структуры почвы лесной подстилки и подроста ценных древесных пород). Имеется некоторый теоретикопроизводственный задел в направлении замены корчевания пней на фрезерование их поперек и вдоль волокон, высверливание пней вместе с комом почвы, находящейся на корнях, и дробление надземной части на щепу различного размера. Однако имеющиеся данные относятся к пням хвойных и мягколиственных пород, и применить их в условиях лесостепной и степной зон, где произрастают твердолиственные породы (дуб, ясень, клен), без специальных дополнительных исследований не представляется возможным. Необходимы глубокие и всесторонние теоретические и экспериментальные исследования, направленные на изучение и обоснование энерго- и ресурсосберегающих способов и технических средств удаления пней твердолиственных, а также хвойных пород. Одним из перспективных направлений является дробление надземной части пней путем отрыва щепы вдоль волокон, поскольку сопротивление скалыванию меньше сопротивления растяжению и разрыву в 17…21 раз для сосны, в 21…27 раз для дуба.

Научные основы резания и разрушения древесных материалов заложены в трудах В.В. Амалицкого, С.А. Воскресенского, А.Л. Бершадского, В.И. Любченко, В.П. Горячкина, Н.Е. Резника, А.А. Ивашенко, Л.П. Крамаренко, В.А. Зяблова, И.Ф. Василенко, Е.М. Гутляра, Е.С. Босого, Н.Г. Березина, В.А. Константинова, А.И. Шекеля и др.

8

К настоящему времени в нашей стране и за рубежом накоплен достаточно большой опыт по подрезке корней и обрезке кроны сеянцев хвойных пород в таежной зоне в процессе их выращивания. И это является основанием провести аналогичные исследования в лесостепной и степной зонах на породах лиственных и сосны обыкновенной, с тем чтобы обосновать целесообразность подрезки корней и обрезки кроны в условиях недостаточного и неустойчивого увлажнения, выявить агротехнические требования и разработать технические средства для их реализации.

Исследованиями подрезки корней сеянцев и саженцев занимались В.И. Казаков, Е.П. Заборовский, А.Ф. Суворина, М.К. Гладышевский, Д.В. Николаев, В.К. Макиенко, П.И. Мелешин и другие ученые, а также целый ряд за-

рубежных ученых J.C. Adams, J. S. Brisbin, R.J.Cameron, M.L. Duryea, J. Evelyn, C.H. Foster, P.P. Kormanik, J.R. Toliver., изучая влияние различных факторов (периодичности, времени, глубины подрезки, густоты посева и т.п.) на формирование корневой системы. Технология подрезки широко используется при выращивании сеянцев хвойных пород (сосны, ели). Однако применительно к лиственным породам, многие из которых являются главными лесообразующими породами (дуб) для лесостепной зоны, этот вопрос недостаточно исследован.

При создании лесных культур наиболее трудоемкой операцией является уход, который необходимо осуществлять в течение 20 лет после посадки. Срезание тонкомерной поросли второстепенных древесно-кустарниковых пород при осветлении культур производится кусторезами, в большинстве своем фрезерного типа: КОГ-2,3, КОМ-2,3, КОН-2,3, КО-1,5 и др., существенными недостатками которых являются низкая производительность (не более 1,0 км/ч) и большая энергоемкость. За рубежом и в плодоводстве находят применение ножевые, молотковые, пильные рабочие органы. Из всего многообразия технических средств и типов рабочих органов следует оценить, теоретически и экспериментально обосновать менее энергоемкий и более высокопроизводительный способ и тип рабочего органа для осветления культур и обрезки вершин сеянцев.

Анализ научных работ по проблемам лесовосстановления, резания и разрушения различных древесных материалов при лесовосстановлении, а также анализ перспективных технологий выращивания посадочного материала позволили сформулировать цель работы, для достижения которой необходимо решить следующие задачи:

-разработать технологические операции и выявить эффективность подрезки корней и обрезки вершин сеянцев дуба черешчатого и сосны обыкновенной в питомниках лесостепной зоны;

-обосновать геометрические и кинематические параметры рабочих органов для подрезки корней сеянцев и саженцев на основе математического моделирования и проведения многофакторного эксперимента, обеспечивающие высокое качество среза корней;

9

-произвести теоретические исследования процесса резания вершин сеянцев и поросли осины при осветлении культур для численных расчетов обоснования рабочих органов;

-обосновать основные геометрические и кинематические параметры рабочих органов вершиноподрезчика и кустореза, обеспечивающие высокое качество выполняемых технологических операций;

-разработать математические модели взаимодействия различных рабочих органов машин для удаления пней и на их основе оптимизировать основные параметры и режимы наиболее перспективного рабочего органа.

Во втором разделе рассмотрено применение технологии подрезки корней и обрезки вершин при выращивании сеянцев в питомниках лесостепной зоны.

Влияние этих технологических приемов оценивалось как в процессе выращивания сеянцев в питомнике, так и после посадки в культуры.

Анализ общего влияния подрезки корней в сочетании с обрезкой вершин после первого года роста на лесокультурной площади показал, что высота растения в случае осенней обрезки вершин почти не менялась, однако, в случае летней подрезки стебля высота увеличилась более чем в 1,5 раза. В случае летней обрезки вершин подрезка корневой системы привела не только

кколичественному изменению, но и к качественному: появляется вторичный прирост, причем довольно большой13,5 см. Также обнаруживается тенденция увеличения общей листовой поверхности у особей с подрезанной корневой системой.

Известно, что рост растений в высоту обеспечивается преимущественно за счет запасных питательных веществ растительного организма предыдущего года, а рост в толщину – за счет продуктов текущего фотосинтеза. Многократное преимущество первичного прироста сеянцев с летней обрезкой и вторичного у сеянцев с осенней обрезкой по сравнению с контрольными свидетельствует о том, что запас питательных веществ у сеянцев с обрезкой стебля превосходил таковой у контрольных растений.

Обрезка вершин частично переориентировала метаболизм растительного организма не на расход пластических веществ на рост стебля в высоту, а на их запас. Таким образом, не только сохранились ранее накопленные питательные вещества и менее расходовались текущие, но и, вероятно, сам переход к началу запасания пластических веществ произошел раньше, чем у растений с естественной вегетацией. Именно это могло послужить не только количественным, но и качественным преимуществом роста в длину сеянцев с обрезанным стеблем по сравнению с контролем. Для инициации роста вторичного прироста требуется существенный метаболический стимул.

Наиболее перспективны, на наш взгляд, сеянцы с осенней обрезкой стебля, поскольку обрезка вершин проводилась во время покоя и растениям было легче перенести эту процедуру

Подрезка корней приводит к образованию мочковатой корневой системы, что облегчает выкопку сеянцев и увеличивает их потенциал вследствие увеличения ветвистости корней.

Входе проведения полевых исследований изучалась корневая система подроста и посадок дуба черешчатого.

10