Обоснование параметров вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней сеянцев в лесных питомниках

Актуальность исследования. В Концепции развития лесного хозяйства Российской Федерации отмечается, что решение проблем устойчивого развития лесного хозяйства в настоящее время предполагает обеспечение качественного воспроизводства лесных ресурсов как обязательного элемента лесопользования, а также расширение защитного лесоразведения в малолесных районах.

В связи с увеличением объёмов работ по посадке леса большое значение приобретает выращивание высококачественного посадочного материала. В соответствии с современными тенденциями лесные культуры целесообразно создавать укрупнёнными сеянцами высотой 40.60 см.

Для получения высококачественных укрупнённых сеянцев лесных пород следует применять современные агроприёмы, позволяющие управлять ростом их отдельных частей и обеспечивать временное торможение роста надземной фитомас-сы. В этом случае имеется возможность получения посадочного материала с оптимальным соотношением надземной и подземной частей и хорошо развитой мочковатой корневой системой.

Одним из наиболее эффективных способов формирования у сеянцев хорошо сохраняющейся при выкопке мочковатой корневой системы является подрезка их корней в период выращивания в питомнике. Особое внимание при подрезке корневой системы необходимо уделять качеству среза корней. Существующие на сегодняшний момент корнеподрезчики не в полной мере обеспечивают качественную подрезку корней. Работа целого ряда устройств сопровождается обрывом корней, постоянным и неизбежным (вследствие особенностей работы) забиванием рабочих органов растительными остатками. Кроме того, при одновременной подрезке боковых и стержневых корней растения испытывают шоковое состояние, которое зачастую приводит к их гибели.

Таким образом, вопрос создания корнеподрезчика, позволяющего устранить существующие технологические и технические недостатки, возникающие при подрезке корней сеянцев лесных пород, является весьма актуальным. Наиболее перспективными для этой цели в настоящее время являются машины для подрезки корней сеянцев (корнеподрезчики) с вибрационным рабочим органом.

Однако, известные теоретические и экспериментальные исследования корне-подрезчиков с активным вибрационным рабочим органом недостаточно полно описывают их взаимодействие с почвой и корнями сеянцев, а также динамические составляющие процесса.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» «Совершенствование технологий, машин и оборудования лесного комплекса».

Цель и задачи исследования

Целью данного исследования является повышение эффективности процесса подрезки корней сеянцев лесных пород путём обоснования основных параметров вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней.

В соответствии с поставленной целью в данном исследовании решаются следующие задачи:

1. Обоснование способа подрезки корней сеянцев лесных пород, используемых в качестве посадочного материала при создании лесных культур.

2. Обоснование конструктивно-технологической схемы машины для подрезки корней сеянцев с активным вибрационным рабочим органом.

3. Разработка математической модели процесса взаимодействия вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней с почвой и корнями сеянцев с выявлением закономерностей влияния параметров активного рабочего органа и физико-механических свойств почвы и корней на процесс подрезки.

4. Получение экспериментальных зависимостей взаимодействия активного вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней с почвой и корнями сеянцев.

5. Определение оптимальных параметров вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней сеянцев.

Предмет и объект исследования. Объектом исследования являются конструктивно-технологическая схема машины для подрезки корней сеянцев, вибрационный рабочий орган, привод рабочего органа, корни сеянцев и почва.

Предметом исследования являются математическая модель, методы и алгоритмы поиска оптимальных конструктивно-технологических параметров машины для подрезки корней.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретические исследования базировались на математическом моделировании взаимодействия вибрационного рабочего органа корнеподрезчика с почвой и корнями сеянцев. Обоснованность и достоверность теоретических результатов обеспечиваются их сопоставлением с данными лабораторных и производственных экспериментов. Полученные данные обрабатывались с использованием программ Statistica 6.0 и Microsoft Excel.

Научная новизна результатов работы.

1. Обоснован способ подрезки корней сеянцев лесных пород, подтверждённый патентом на изобретение № 2 438 296, отличающийся тем, что осуществляется последовательная подрезка корней сеянцев в вертикальной и горизонтальной плоскостях прикорневого объёма почвы, при этом срок между подрезками корней составляет 10. 15 дней.

2. Обоснована конструктивно-технологическая схема машины для подрезки корней сеянцев с активным вибрационным рабочим органом, подтверждённая патентом на изобретение № 2 446 654, отличающаяся тем, что подрезка боковых корней сеянцев осуществляется вертикально подрезающим вибрационным рабочим органом, выполненным в виде ножей и приводимым в движение гидравлическим приводом.

3. Разработана математическая модель процесса взаимодействия вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней с почвой и корнями сеянцев, отличающаяся учётом влияния параметров активного вибрационного рабочего органа, физико-механических свойств почвы и корней сеянцев, а также инерционной составляющей процесса подрезки корней.

4. Получены закономерности взаимодействия вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней с почвой и корнями сеянцев, отличающиеся оценкой динамических факторов рабочего процесса в зависимости от различных геометрических и эксплуатационных параметров вибрационного рабочего органа.

5. Обоснованы параметры вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней сеянцев, отличающиеся оптимальными значениями, полученными по критерию силовых показателей процесса подрезки корней сеянцев.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Способ подрезки корней сеянцев лесных пород, подтверждённый патентом на изобретение № 2 438 296, позволяющий сформировать хорошо развитую, мочковатую корневую систему сеянцев и способствующий повышению однородности почвенно-корневой структуры.

2. Конструктивно-технологическая схема машины для подрезки корней с активным вибрационным рабочим органом, подтверждённая патентом на изобретение № 2 446 654, позволяющая повысить эффективность подрезки корней сеянцев вследствие уменьшения их повреждаемости из-за возвратно-поступательного движения подрезающего рабочего органа.

3. Математическая модель процесса взаимодействия вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней с почвой и корнями сеянцев, позволяющая описать динамику движения вибрационного рабочего органа в процессе подрезания корней.

4. Закономерности взаимодействия вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней с почвой и корнями сеянцев, позволяющие оценить динамику рабочего процесса в зависимости от различных геометрических и эксплуатационных параметров вибрационного рабочего органа.

5. Оптимальные параметры вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней сеянцев, позволяющие повысить эффективность процесса подрезки корней сеянцев вибрационным рабочим органом.

Теоретическая и практическая значимость работы. Рекомендации и алгоритмы, разработанные на основе математического моделирования, использованы в конструкторском бюро «ЦОКБлесхозмаш», ООО «ИНВИТРО», в ООО «СТАЛЬ-СИНТЕЗ», в учебно-опытном лесхозе ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» и в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» при подготовке инженеров лесотехнического профиля.

Практическая значимость заключается в установлении влияния конструктивных и эксплуатационных параметров вибрационного рабочего органа на процесс подрезки корней сеянцевполучении математической модели процесса взаимодействия вибрационного рабочего органа машины для подрезки корней с почвой и корнями сеянцевразработке способа подрезки корней сеянцев лесных пород, новизна которого подтверждена патентом на изобретение № 2 438 296- разработке конструктивно-технологической схемы машины для подрезки корней, новизна которой подтверждена патентом на изобретение № 2 446 654.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.21.01 — Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства, (критерии п. 7 «Положение о порядке присуждения учёных степеней» Минобрнауки России).

Апробация и реализация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях про-фессорскопреподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (2010;2012 гг.), на конкурсе проектов молодых ученых на финансирование НИОКР по программе «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (2009, 2010 гг.), региональной научно-практической конференций молодых ученых «Наукоёмкие технологии и материалы» (НТМ-2010), на Зворыкинском инновационном проекте программы Федерального агентства по делам молодежи (2011 г.), в Ухтинском государственном техническом университете (2010, 2011 гг.), Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете (2009, 2010, 2011 гг.), Вологодском государственном техническом университете (2011 г.), а также на заседаниях кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской государственной лесотехнической академии.

Публикации. Основные научные разработки по теме диссертации опубликованы в 11 работах, включая 3 статьи в изданиях центральной печати (рекомендованных ВАК Федерального агентства по образованию РФ), 5 публикаций без соавторов и 3 патента на изобретения.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Общий объём работы составляет 204 страницы машинописного текста, включающего 174 страницы основного текста, 7 таблиц, 52 рисунка.