CC BY
73
Морозов Алексей Сергеевич - доцент кафедры проектирования подъемно-транспортного и технологического оборудования, ИСМАРТ, филиал ФГАОУВО Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В .Ломоносова в г. Северодвинске, кандидат технических наук, доцент, г. Северодвинск, Российская Федерация; е-mail: a.morozov@narfu.ru
Information about authors
Babkin Alexandr Ivanovich - Teacher of Department of design of hoisting-and-transport and processing equipment, ISMART, Branch of Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov in Severodvinsk, Severodvinsk, Russian Federation; е-mail: a.babkin@narfu.ru
Melekhov Vladimir Ivanovich - Professor of Department of technology of logging and woodworking productions, Forest Technical Institute, Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, DSc in Engineering, Professor, Arkhangelsk, Russian Federation; е-mail: v.melekhov@narfu.ru
Rudenko Alexandr Vasilevich - Head of Department of design of hoisting-and-transport and processing equipment, ISMART, Branch of Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov in Severodvinsk, PhD in Engineering, Associate Professor, Severodvinsk, Russian Federation; е-mail: a.rudenko@narfu.ru
Morozov Alexey Sergeevich - Associate Professor of Department of design of hoisting-and-transport and processing equipment, ISMART, Branch of Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov in Severodvinsk, PhD in Engineering, Associate Professor, Severodvinsk, Russian Federation; е-mail: a.morozov@narfu.ru
DOI: 12737/21693 УДК630*232
КИНЕМАТИКА И ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА КАЧЕНИЯ РОТАЦИОННЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
КУЛЬТИВАТОРА ДЛЯ ПИТОМНИКА
доктор сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник В. И. Казаков1 кандидат технических наук, старший научный сотрудник И. В. Казаков1 1 - ФБУ «Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства»,
г. Пушкино, Российская Федерация
Повышение качества агротехнического ухода за растениями в лесных питомниках возможно путем применения ротационных рабочих органов в виде игольчатых дисков, которые, благодаря сочетанию поступательного движения агрегата с их свободным вращением, обеспечивают качественное рыхление почвы с одновременным уничтожением сорняков. Основное назначение игольчатых дисков заключается в разрушении почвенной корки и уничтожении сорняков на ранней стадии роста растений. Основными показателями работы игольчатых дисков являются глубина обработки, поступательная скорость агрегата и угловая скорость вращения диска. Эффективность работы игольчатых дисков существенно зависит от поступательной скорости агрегата и количества зубьев на диске. В результате проведенного анализа процесса качения рабочих органов культиватора при уходе за растениями в питомнике определена площадь зоны воздействия зубьев на почву, которая зависит от диаметра диска и угла дуги контакта зуба с почвой. Предложены параметрические уравнения движения игольчатого диска, учитывающие диаметр диска, поступательную скорость агрегата, глубину обработки почвы и коэффициент пробуксовывания. Отмечено, что на легких почвах, обладающих малой несущей способностью, эффективность работы игольчатого диска снижается из-за уменьшения кинематического показателя и увеличения коэффициента пробуксовывания. Установлено, что с увеличением глубины хода зубьев диска в почве и поступательной скорости движения агрегата повышается эффективность работы игольчатых дисков благодаря увеличению вертикальной составляющей полной скорости диска.
Ключевые слова: культиватор, рабочий орган, игольчатый диск, поступательная скорость, угловая частота вращения, почва, питомник, растение.
KINEMATICS AND PARAMETERS OF ROLLING PROCESS FOR THE ROTARY WORKING BODIES OF
THE CULTIVATOR FOR NURSERY
DSc in Agriculture, Senior Researcher V. I. Kazakov1 PhD in Engineering, Senior Researcher I. V. Kazakov1 1 - FBI «All-Russian Research Institute for Silviculture and Mechanization of Forestry»,
Pushkino, Russian Federation It is possible to improve the quality of agro-technical care of plants in arboretums by applying the rotary working bodies in the form of needle-shaped discs which thanks to a combination of the unit translation with their free rotation, provide qualitative opening of the soil along with weeding. The main purpose of the needle-shaped disks is to destruct the soil cover and weeding in the early stages of a plant growth. The main performance indices of needle-shaped disks are the depth of tillage, the forward speed of the unit and the angular velocity of disk rotation. The effectiveness of needle-shaped discs depends significantly on the forward speed of the unit and the number of teeth on the disk. The result of studies on the rolling process of the working bodies of the cultivator when caring for plants in the nursery has defined the area of the teeth's zone of impact on the soil which depends on the disk diameter and angle of the arc of tooth contact with the soil. The parametric equations of motion of the needle-shaped disk are given. They take into account the disk diameter, the forward speed of the unit, the depth of tillage and the coefficient of stalling. It is noted that on light soils having low bearing capacity the efficiency of the needle-shaped disk is reduced due to the reduction of kinematic index and increasing the coefficient of stalling. Found that with increasing the depth of stroke of the disk teeth in the soil and the forward speed of the unit the efficiency of the needle-shaped discs improves by increasing the vertical component of the disk total velocity.
Keywords: cultivator, working body, a needle-shaped disk, forward speed, angular velocity of rotation, soil, nursery, plant.
При выращивании посадочного материала в лесных питомниках одной из важных технологических операций является агротехнический уход за растениями, для выполнения этой операции применяются культиваторы с различными рабочими органами. Наибольшее распространение нашли культиваторы со стрельчатыми лапами, которые обеспечивают полное уничтожение сорной растительности, однако недостаточно качественно рыхлят почву, особенно при образовании почвенной корки. Современные почвообрабатывающие машины с ротационными рабочими органами в наибольшей мере отвечают требованиям, предъявляемым к культиваторам для ухода за растениями в питомниках, благодаря сочетанию поступательного и вращательного их движения. Такие рабочие органы обеспечивают необходимую степень рыхления почвы с разрушением почвенной корки и уничтожением сорняков. Особенно эти преимущества проявляются при проведении агротехнических уходов за растениями в лесных питомниках на ранних стадиях их роста. Поэтому применение культиваторов для лесных питомников с рабочими органами в виде вращающихся игольчатых дисков позволит повысить качественные показатели их работы при существенном снижении сте-
пени повреждения растений [3, 4, 5, 6, 7].
Игольчатый диск диаметром D представляет собой ступицу, устанавливаемую на ось с помощью подшипника скольжения. Периферийная часть игольчатых дисков выполнена в виде зубьев шириной в с заостренными концами (рис. 1). В процессе работы зубья игольчатых дисков внедряются в почву и благодаря поступательному движению агрегата получают вращательное движение. При этом происходит рыхление почвы и извлечение сорняков с корнями из нее. Эффективность их работы зависит как от количества зубьев на диске, так и от поступательной скорости движения агрегата и частоты вращения диска. Игольчатые диски, заимствованные от сельскохозяйственных машин, являются сменными рабочими органами культиваторов для лесных питомников и применяются для разрушения почвенной корки и уничтожения всходов сорняков на ранней стадии роста сеянцев [3, 4, 5, 6]. Для оценки процесса взаимодействия ротационных рабочих органов культиватора с игольчатыми дисками необходимо провести анализ их параметров с учетом кинематики их движения в почве. В связи с этим представляет интерес исследование процесса взаимодействия игольчатых дисков с почвой с учетом их пробуксования.
Рис. 1. Схема игольчатого диска
В процессе работы каждый зуб диска при одновременном поступательном и вращательном движении описывает кривую-циклоиду (рис. 2) [1, 8, 9, 11].
При определении величины глубины хода к зубьев в почве процесс его работы можно представить как процесс качения по поверхности почвы цилиндра с условным диаметром, равным
dycл = D - к .
Очевидно, что
к = 0,5(Б - dycл).
Поступательную скорость агрегата Vaгр , можно определить по формуле
^ = (D - Ж
(1)
где сод - угловая скорость вращения условного цилиндра при качении диска;
С - коэффициент пробуксовывания.
Коэффициент пробуксовывания зависит от момента сопротивления на валу диска и физических свойств почвы. Для рассматриваемого нами случая коэффициент пробуксовывания можно принять равным единице.
Из выражения (1) можно получить формулу для расчета угловой скорости вращения диска при его качении по почве:
V
д D С( у - к)
(2)
Как видно из этой формулы, при увеличении поступательной скорости агрегата и глубины хода
Рис. 2. Схема рабочего процесса игольчатого диска
игольчатого диска и уменьшении его диаметра угловая скорость его вращения возрастает.
Для определения площади зоны воздействия зубьев на почву воспользуемся следующим рассуждением. В прямоугольном треугольнике ОА1А (рис. 2) находим угол дуги контакта зуба с почвой
и, который и определит площадь, описываемую каждым зубом при движении в почве:
л . 0,5Б - к
и = 2(--arcsln-).
2 D
(3)
Длину «дуги воздействия», описываемую
точкой А без учета поступательной скорости движения агрегата, можно определить по формуле I 2л-и-D
д = 720 . или, с учетом зависимости (3), эта формула примет следующий вид:
0,5Б - к
л Б - 2D агс8т
1д =
Б
360
Площадь сектора АА'А" А1
Sc =
к-D2-и 1440
(5)
Фактически движение точки A конца зуба сопровождается ее поступательным перемещением по
оси X со скоростью движения агрегата. Выразим проекцию скорости точки А на оси X и Y неподвижной системы координат. Параметрические уравнения с учетом того, что диск катится по ходу движения агрегата [1, 8, 9, 11], могут быть представлены в виде dX
VY =-= V cos®, • t + V
x dY р д агр
dY
VY = = Гокр Sin "й • ^
(6)
где (од - угловая скорость вращения диска, определяемая по формуле (2);
Уокр - окружная скорость диска; t - время.
После преобразований получим:
ёХ =--+ У Л ,
2cos"o •1•dt
dY = ■ " *D
2sin codtdt
(7)
Интегрируя выражения (7) по времени, получим
уравнения движения точки
" - D
A •
х = Jcos"tdt + va!p Jdt = ^ sin "й t + Va!p ■t + c
Y = "o D Jsina^tdt = -Dcos"o • t + C1 (8) 2 J 2
Произвольные постоянные интегрирования определим из следующих начальных условий движения:
t = 0, X = 0, Y = 0.
Значит, С = 0, С, = D.
1 2
Уравнения траектории движения (8) точки A примут следующий вид:
X = ysm" •t + Va!p •t,
Y = D(1 -cos"o ■ t).
(9)
С учетом выражения (2) окончательно получим уравнения движения точки A :
X = fsrn-^D^ + Vap -1, 2 - h)
D D Уагр •t Y =---cos--.
2 2 D
C(Y - h)
(10)
Таким образом, мы получили уравнение трохоиды, причем угловая скорость вращения диска есть линейная функция поступательной скорости агрегата. Параметры этой трохоиды зависят от диаметра диска, поступательной скорости агрегата, глубины обработки и физических свойств почвы.
Кинематический показатель X работы диска [8,
9, 10], определяемый по выражению X =
но выразить следующим образом:
А=- D D
"o •D
2F :
CD - 2ИС C(D - 2h)
мож-
(11)
Как видно из этого выражения, при увеличении заглубления зубьев диска в почву кинематический показатель и, соответственно, эффективность его работы возрастают.
Выражения (6) для составляющих скорости точки А представим в виде:
Vx =
V • D V • t
-cos-^-+ V^ .
C(D -2h) C(0,5D -h) p '
Vy =
V • D
aгp
sin-
V • t
a¿p
C(D -2h) C(0,5D -h)
(12)
Анализ полученных выражений (12) показывает, что на участке дуги Л Л" (рис. 2) скорость Уг имеет положительный знак и направлена вверх, за счет этого на этом участке траектории движения зуба происходит наиболее интенсивное извлечение из почвы корней сорных растений.
Таким образом, на основании полученных зависимостей можно сделать следующие заключения:
1. Эффективность работы игольчатого диска повышается при увеличении заглубления зубьев диска в почву.
2. На легких почвах, обладающих малой несущей способностью, эффективность работы игольчатого диска снижается из-за уменьшения кинематического показателя X и увеличения коэффициента буксования.
3. Увеличение поступательной скорости движения агрегата повышает эффективность работы игольчатого диска благодаря увеличению вертикальной составляющей скорости конца зуба.
Библиографический список
1. Берман, А. И. Циклоида [Текст] / А. И.Берман, В. М. Парфенов. - М. : Наука, 1980. - 112 с.
2. Бартенев, И. М. Совершенствование технологий и средств механизации лесовосстановления [Текст] / И. М. Бартенев, М. В. Драпалюк, В. И. Казаков. - М. : ФЛИНТА: Наука, 2013. - 208 с.
3. Винокуров, В. Н. Механизация лесного и лесопаркового хозяйства [Текст] / В. Н. Винокуров, Г. В. Силаев, В.И. Казаков ; под общ. ред. В. И. Казакова. - М. : Лесн. пром-сть, 2006. - 432 с.
4. Казаков, В. И. Прогрессивные агроприемы и средства механизации для выращивания посадочного материала в лесных питомниках [Текст] / В. И. Казаков // Устойчивое управление лесами и сохранение биологического разнообразия в лесном фонде РФ. - Пушкино : ВНИИЛМ, 1997. - С. 44-46.
5. Казаков, В. И. О тенденции создания средств механизации для питомников [Текст] / В. И. Казаков // Научно-техн. проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса: Материалы междунар. науч.-практ. конф. - Воронеж, 1998. - С. 27-28.
6. Казаков, В. И. Перспективная обработка почвы в питомниках [Текст] / В. И. Казаков // Рациональное использование ресурсного потенциала в агропромкомплексе: Всерос. науч.-техн. конф. - Воронеж, 1998. - С. 29-30.
7. Казаков, В. И. Технологии и механизация выращивания посадочного материала в питомниках лесной зоны [Текст] / В. И. Казаков. - М. : ВНИИЛМ, 2001. - 186 с.
8. Ротационные почвообрабатывающие машины [Текст] / Е. П. Яцук, И. М. Панов, Д. Н. Ефимов [и др]. -М. : Машиностроение, 1971. - 255 с.
9. Синеоков, Г. Н. Теория и расчет почвообрабатывающих машин [Текст] / Г. Н. Синеоков, И. М. Панов. - М. : Машиностроение, 1977. - 328 с.
10. Циммерман, М. З. Рабочие органы почвообрабатывающих машин [Текст] / М. З. Циммерман. - М. : Машиностроение, 1978. - 295 с.
References
1. Berman A. I., Parfenov V.M. Cycloid [Cycloid]. Moscow, 1980, 112 p. (In Russian).
2. Bartenev I.M., Drapaljuk M.V., Kazakov V.I. Sovershenstvovanie tehnologij i sredstv mehanizacii lesovoss-tanovlenija [Improvement of technologies and means of mechanization of forest regeneration]. Moscow, 2013, 208 р. (In Russian).
3. Vinokurov V.N., Silaev G.V., Kazakov V.I. Mechanization de arboribus et silvis administratione [Mechanization of forestry and forest management]. Moscow, 2006, 432 p. (In Russian).
4. Kazakov V.I. Progressivum agricultura, ars et mechanization pro cultura plantationis materia in silva seminaria [Progressive farming techniques and mechanization for cultivation of planting material in forest nurseries] Ustoj-chivoe upravlenie lesami i sohranenie biologicheskogo raznoobrazija v lesnom fonde RF [Sustainable management of forests and conservation of biological diversity in the forest Fund of the Russian Federationm diversum in silva Institu-tum in Russian Foederatio] Pushkino, 1997, pp. 44-46. (In Russian).
5. Kazakov V.I. Inclinationem creatura mediante mechanization enim seminaria [About the tendencies of creation of means of mechanization for nurseries ] Nauchno-tehn. problemy v razvitii resursosberegajushhih tehnologij i oborudovanija lesnogo kompleksa: Materialy mezhdunar. nauch.-prakt. Konf [Nauchno-tekhn. problems in the development of resource-saving technologies and equipment of the forest complex: materials of the international. scientific.-pract. Conf.] Voronezh, 1998, pp. 2728. (In Russian).
6. Kazakov V.I. Perspektivnaja obrabotka pochvy v pitomnikah [Promittentes solo curatio in seminariis advanced soil treatment in nurseries] Racional'noe ispol'zovanie resursnogo potenciala v agropromkomplekse: Vseros. nauch.-tehn. konf [Rational use of resource potential in agropromkomplekt: vseros. scientific.-tekhn. Conf.] Voronezh, 1998, pp. 29-30. (In Russian).
7. Kazakov V.I. Tehnologii i mehanizacija vyrashhivanija posadochnogo materiala v pitomnikah lesnoj zony [Technology and mechanization of cultivation of planting material in nurseries of the forest zone] Moscow, 2001, 186 p. (In Russian).
8. Rotacionnye pochvoobrabatyvajushhie mashiny [Rotary tillage machine] E.P. Yatsuk, I.M. Panov, D.N. Efimov. Moscow, 1971, 255 p. (In Russian).
9. Sinyeokov G.N., Panov I.M. Teorija i raschet pochvoobrabatyvajushhih mashin [Theory and calculation of soil-cultivating machines]. Moscow, 1977, pp. 328. (In Russian).
10. Zimmerman M.Z. Rabochie organy pochvoobrabatyvajushhih mashin [Working bodies tillage machines] Moscow, 1978, 295 p. (In Russian).
Сведения об авторах
Казаков Владимир Иванович - главный научный сотрудник отдела лесовосстановления и семеноводства ФБУ «Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства», доктор сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник, г. Пушкино, Российская Федерация; e-mail: kazakov@vniilm.ru.
Казаков Игорь Владимирович - ведущий научный сотрудник отдела механизации лесохозяйственных работ и стандартизации ФБУ «Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства», кандидат технических наук, старший научный сотрудник, г. Пушкино, Российская Федерация; e-mail:_Igor.kazakov2015@bk.ru
Information about authors
Kazakov Vladimir Ivanovich - Chief Researcher of the Department of reforestation and seed production of FBI «All-Russian Research Institute for Silviculture and Mechanization of Forestry», DSc in Agriculture, Senior Researcher, Pushkino, Russian Federation; e-mail: kazakov@vniilm.ru.
Kazakov Igor Vladimirovich - leading researcher of the Department of mechanization of forest works and standardization, FBI «All-Russian Research Institute for Silviculture and Mechanization of Forestry», PhD in Engineering, Senior Researcher, Pushkino, Russian Federation; e-mail: Igor.kazakov2015@bk.ru
DOI: 12737/21694 УДК 630. 232
ВЛИЯНИЕ СОРТИРОВКИ СЕМЯН ХВОЙНЫХ ПОРОД НА ПОСЕВНЫЕ КАЧЕСТВА
доктор сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник В. И. Казаков1 кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Н. Е. Проказин1 кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Е. Н. Лобанова1 кандидат технических наук, старший научный сотрудник И. В. Казаков1 1 - ФБУ «Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства»,
г. Пушкино, Российская Федерация
В процессе подготовки семян хвойных пород для посева проводится их сортировка, которая предусматривает разделение семян как по размерам, так и по массе. Эта операция оказывает существенное влияние на качество выращиваемого посадочного материала и создаваемых лесных культур. Сортировка семян хвойных пород приобретает все большее значение в связи с необходимостью равномерно-разреженного посева семян в посевных строчках, особенно при выращивании укрупненного посадочного материала без перешколивания, а также при производстве посадочного материала с закрытой корневой системой. Поэтому оценка влияния сортировки семян на их посевные качества имеет практическое значение для специалистов лесных питомников. Для проведения опытов были использованы семена сосны обыкновенной, ели европейской и лиственницы сибирской. Предварительно семена были разделены на фракции по размеру с помощью решет с отверстиями различных диаметров - на крупные, средние и мелкие. Затем в воздушном потоке с использованием пневмосепаратора лесных семян ПЛС-5М семена сортировали по массе на тяжелые, средние и легкие. В результате проведенных исследований влияния сортировки семян хвойных пород на их посевные качества установлено, что, выделенные в каждой фракции по размерам тяжелые и средние по массе семена отвечают предъявляемым требованиям по энергии прорастания и всхожести и их целесообразно использовать для посева как при выра-
