У особей подроста дуба черешчатого в естественных условиях формируется типично стержневая корневая система. Посаженные дубки формируют более разветвленную корневую систему, чем особи подроста. По количеству крупных и мелких корней I порядка посаженные дубки превосходят подрост примерно в 2 раза (таблица 1; 2). По количеству корней II порядка культуры дуба превосходят в 3 раза особей естественного происхождения

(103 против 28).

По размерам корней посадки дуба в 2…3 раза превосходят особей естественного происхождения (таблица 1). Корни II порядка у особей естественного происхождения представлены мелкими корешками длиной 0,5 см, у культур дуба корни II порядка достигают 5…7 см.

Подробный анализ распределения корневых систем по глубинам показывает, что большая часть мелких и крупных корней сосредоточена на глубине до 20 см (таблица 1; 2).

Хотя у посадок дуба крупных корней глубже 20 см не наблюдается, по количеству корней I порядка особи подроста уступают культурам.

Культуры дуба не формируют полностью мочковатую корневую систему, а происходит постепенное восстановление стержневого корня на глубину более 80 см за счет развития нижнего бокового корня. На наш взгляд, подрезка корней во время выкопки сеянцев привела к нарушению апикального доминирования и коррелятивного торможения со стороны стержневого корня, что привело к развитию боковых корней, которые обеспечивали растение питательными веществами и влагой после посадки. Однако, в связи с необходимостью достижения корнями грунтовых вод произошло восстановление стержневой корневой системы.

В ходе проведения исследований изучалось влияние подрезки корней на развитие сеянцев сосны обыкновенной. Подрезка корневой системы привела

куменьшению массы и некоторых ростовых показателей надземной части сеянцев по сравнению с контролем. Отсутствие влияния подрезки корней на высоту связано с тем, что подрезка корней была проведена во время, близкое

кзавершению роста побега в длину. Уменьшение диаметра корневой шейки связано с тем, что рост побега в ширину осуществляется за счет продуктов текущего метаболизма, который был заторможен из-за временного нарушения деятельности корней в связи с их подрезкой (таблица 3).

Усеянцев с подрезанной корневой системой формируются дополнительные корни, которые отвердевают до момента выкопки.

Соотношение верхней части к корню у подрезанных сеянцев было значительно меньшим, чем у контрольных образцов, что проявилось в лучшем балансе между верхней частью и корнями.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что подрезанные сеянцы являются более сбалансированными и, как следствие, имеют больший потенциал, чем контрольные сеянцы. Подрезка корней может быть использована для замедления роста верхней части, для стимулирования развития корневой системы и для улучшения соотношения корень-побег.

11

Таблица 1 – Характеристика корневой системы посадок дуба черешчатого на вырубке порослевой дубравы (кв. 8) Правобережного лесничества УОЛ ВГЛТА

Таблица 2 – Характеристика корневой системы особей подроста дуба черешчатого на вырубке порослевой дубравы (кв. 8) Правобережного лесничества УОЛ ВГЛТА

12

Таблица 3 – Морфологическое описание и водный режим сеянцев сосны обыкновенной в лесном питомнике Подгоренского лесничества, октябрь

2005г.

Варианты опыта

Морфологические признаки Контроль Подрезанная кор- tк-пкс невая система

В третьем разделе представлена математическая модель взаимодействия ножевого рабочего органа с корнями сеянцев в процессе их перерезания.

На перерезаемый слой материала корня 1 высотой В (рисунок 1) действуют следующие силы: растягивающие силы со стороны верхней Fв и нижней Fн части корня, реакция почвы Fп, сила инерции и сила резания, представляющая собой сумму сил со стороны фасок Fл, и силы трения Fтв на грани лезвия. Для решения задачи необходимо знать изменение всех этих сил в течение времени взаимодействия лезвия с корнем.

Если обозначить через х1 координату кромки лезвия на оси ОХ, через х2

– координату контакта правой поверхности корня с почвой в точке её пересечения с осью ОХ, то на основе сделанных предположений система уравнений, описывающих динамическое взаимодействие системы «лезвие-корень- почва», будет иметь вид:

Поскольку скорость постоянна и, следовательно, ускорение лезвия равно нулю, то его уравнение движения будет иметь вид:

13

относительно четырех неизвестных х1, х2, хсл и hсо. Начальные условия для решения системы: при t = 0 х1 = hсо= 0, х2 = dо, хсл = dо/2 = ro,

х1(t) = Vл·t.

Данная математическая модель позволяет определить величину перемещения, скорость перемещений корня, силу и работу резания, на основе которых были оптимизированы геометрические и кинематические параметры горизонтального ножа, сумма углов заточки и установки лезвия β+γ, равная 0 градусам; толщина лезвия в=2…3 мм; величина кромки δ =50…150 мкм; длина лезвия l=10…40 мм.

Для реализации разработанной математической модели был проведен ряд экспериментов по определению физико-механических свойств корней дуба, сосны, вяза (рисунок 2).

Рисунок 2 - Зависимость максимальной силы перерезания от диаметра корней дуба

С оптимальными геометрическими параметрами горизонтального ножа была создана опытная конструкция корнеподрезчика и проведен многофакторный эксперимент с целью оптимизации параметров почвозаглубителя, который должен выводить рабочий орган на требуемую глубину.

Получено уравнение регрессии, которое связывает выходной параметр процесса – тяговое сопротивление (Y)- с углом установки почвозаглубителя (Х1) с твердостью (Х2) и влажностью (Х3) почвы

Y = 618.94 +141.89 X2 +11.38 X3 +1.89X1 X 2 −0.13X1 X 3 → min (5)

Для решения этой задачи была написана программа, реализованная в среде Borland Delphi 6.0. В результате расчетов установлено, что минимальное значение тягового сопротивления наблюдается при установке почвозаглубителя в положение, близкое к нулю градусов, твердости почвы 1МПа и влажности

15

10 %. Однако, с учетом длины пути заглубления оптимальным углом установки почвозаглубителя следует считать 15˚.

В четвертом разделе представлена кинематическая модель процесса взаимодействия дисковой пилы с древесной растительностью.

Длину дуги контакта зуба lстi с i-м стволом определим по формуле

где Rпл – радиус пилы диска, м.

В соответствии с рисунком 3 i-й угол контакта пилы со стволиком сеянцаθстi находим как

где Hстi - высота пропила i-го стволика, м. Толщина срезаемой стружки i-го ствола сстi ,

tз – шаг зуба, мм (для пилы D=1500, z=120, tз =π D / z = 39,25);

Vп – поступательная скорость агрегата (надвигание), м/с; Vпл – окружная скорость резания, м/с.

Основное влияние на качество среза оказывает подача стволика на зуб пилы, поэтому были построены зависимости Uz от окружной скорости пилы

искорости подачи агрегата.

Вмомент перерезания вектор скорости ствола Vст направлен во внешнюю сторону от диска пилы, за счёт чего будет происходить отклонение стволика сеянца, что препятствует его срезанию и способствует прохождению под пилой или сбоку пилы. Для того чтобы избежать отклонения стволика, необходимо вектор скорости направить во внутреннюю сторону пилы. Это можно осуществить при помощи зуба пилы, угол наклона передней ре-

жущей кромки которого δ будет иметь значения менее 90° (рисунок 3).

16

Рисунок 3 –Схема взаимодействия дисковой пилы со стволиком сеянца

где Rдск – радиус диска пилы до основания зуба, м; X oci н, Yoci н - координаты основания i-го зуба, м;

Z – число зубьев пилы, шт.

i – рассматриваемый зуб, i=1…Z;

Вершину i-го зуба находим на основании системы:

hз – высота зуба, м;

δ - угол наклона передней режущей кромки зуба, рад.

Задняя режущая кромка получается путём соединения основания текущего зуба с вершиной последующего.

В ходе таксационных исследований удалость установить характер произрастания древесной растительности. С учетом знания количества столиков на 1 м2 и их диаметра была проведена рандомизация и получены координаты места произрастания древесной растительности на рассматриваемом участке:

где Xmax, Ymax – соответственно длина и ширина участка, м;

17

rand(X max ),rand (Ymax ) – случайное число, взятое из промежутка от нуля

до соответствующего значения Xmax, Ymax, м.

Математически процесс соприкосновения i-го ствола с зубом пилы представляется как совпадение абсцисс и ординат зуба пилы с абсциссой и ординатой ствола. Для упрощения математических выкладок сделаем допущение, что не пила движется на стволы, а, наоборот, ствол движется на пилу.

Координаты вершин зубьев пилы образуют рабочую зону пилы относительно её центра.

Поскольку радиус пилы является суммой радиуса основания, высоты зуба с учётом его наклона, он определяется по формуле

Рабочая зона, в соответствии с рисунком 4, формируется радиусом Rпл, проведённым из центра диска, характеризуемого координатами X плц ,Yплц .

При сопоставлении координат ствола с центром диска определяется расстояние (радиус), на котором находится ствол:

где Rствi .пл. – радиус, на котором находится ствол от центра диска пилы, м.

При совпадении этих двух радиусов Rпл и будет начинаться процесс резания.

Рисунок 4 - Схема соприкосновения стволика с зубом пилы

18

Кроме кинематической модели процесса резания была разработана динамическая модель взаимодействия дисковой пилы с древесной растительностью (рисунок 5).

Рисунок 5 – Схема взаимодействия пильного диска со стволиком

В результате построения математической модели была получена зависимость силы резания от основных параметров процесса резания:

где K ′ - удельное сопротивление резанию ( K ′=5…8 МПа);

aп,aw ,a p ,aт - коэффициенты, учитывающие соответственно породу, влаж-

ность, степень затупления зубьев и температуру, δ - угол наклона передней грани зуба; θ` - угол между вектором скорости и вектором движения; b – ширина пропила, м.

Анализ ряда зависимостей показал, что на величину скорости подачи трактора, которая определяет производительность работы агрегата, оказывают влияние следующие величины: подача на зуб – Uz, число зубьев – Z, диаметр пилы – D и окружная скорость вращения пилы – Vпл.

Была проведена оптимизация скорости подачи трактора. Определив целевую функцию, характеризующую оптимальную скорость подачи трактора, а также задав ограничения варьируемых факторов, получим:

19

0.2 ≤ D ≤1.

Была разработана компьютерная программа, которая при помощи метода сканирования рассчитала оптимальные параметры пильного рабочего органа: окружная скорость 14 м/с, подача на зуб 1,9 мм, диаметр пилы 0,4 м, количество зубьев на дисковой пиле 108 шт. Проведенные экспериментальные исследования срезания вершин сеянцев дисковой пилой с такими геометрическими параметрами показали, что срез гладкий, не наблюдается разрывов и размочаливания стволиков.

Для нахождения оптимальных геометрических и кинематических параметров инерционно-рубящего рабочего органа для срезания поросли второстепенных пород были составлены кинематическая и динамическая модели процесса резания поросли.

Динамическая модель включала определение силы резания с учётом установленного экспериментальным путём значения предела прочности σр поросли осины при её перерезании:

ширина рабочего органа, м; Е – модуль деформации, МПа; μ- коэффициент Пуассона; ϕ - угол трения, рад; β - угол наклона фаски, рад; f – коэффициент трения массы о материал лезвия, f=tg ϕ.

Из теории импульсного резания известно, что усилие импульсного резания можно выразить из усилия «силового» резания Fл, введя поправочный совокупный коэффициент динамичности по усилию резания КДР:

где mэл – масса элемента гибкого рабочего органа, кг; Vэл – падение линейной скорости рабочего органа, м/с; tud – время удара, в течение которого происходит падение скорости рабочего органа, с.

Скорость, которую поросль получает во время процесса резания, определяем по формуле

20