CC BY
40
УДК 630. 232 (3)
ОПТИМИЗАЦИЯ УГЛА ВНЕДРЕНИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА ЛУНКООБРАЗОВАТЕЛЯ ПРИ ОБРАЗОВАНИИ ЛУНОК В ПОЧВЕ
А. М. Цыпук, А. Э. Эгипти
ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет» tsypouk@psu.karelia.ru
Проблема механизации посадки леса на нераскорчеванных вырубках сформировалась к концу 60-х годов прошлого века, когда стало ясно, что естественное возобновление в таежной зоне не в состоянии восполнить ущерб, наносимый лесу промышленными технологиями лесозаготовок.
Основное направление к тому времени получили лесопосадочные машины с рабочими органами в виде коробчатого сошника [2], готовящего в почве борозду.
В условиях вырубки непрерывное перемещение сошника входит в противоречие с наличием на его пути естественных для вырубки препятствий - пней, камней, порубочных остатков и валежа. Второе противоречие заключается в неполном использовании борозды для размещения корней растений, в пределах 10...20 % в зависимости от шага посадки леса. Это означает, что не менее 80 % энергии при образовании борозды затрачивается впустую, а точнее приводит к неоправданному износу машины вследствие трения о почву. Соответственно возрастает вероятность нарушения технологического процесса по условиям встречи с препятствиями.
Конечно, можно утверждать, что препятствия на пути сошника следует удалять, например - корчевальными машинами. Это создает новые противоречия: экономическое, т. е. резкое увеличение затрат, и экологическое, которое выражается в выносе плодо-
родной почвы за пределы рядов создаваемых культур.
Единственным логичным выходом из указанных тупиков является создание лесопосадочных машин, для которых среда препятствий на вырубке является естественной, как вода для рыбы, и не требующей изменений. Этому удовлетворяют рабочие органы, которые образуют в почве точечные посадочные места, минимально необходимые для размещения корневой системы растений.
Заметим, что точечный принцип посадки леса был давно известен, и по настоящее время реализуется ручными инструментами типа широко известного меча Колесова, мотыги и др. Недостатками ручной посадки являются наличие больших затрат физического труда, его тяжесть и даже опасность, а также связанная с этим низкая производительность. Заметим, что в отличие от поступательного перемещения коробчатого сошника, инструменты для точечной посадки совершают в основном вертикальное перемещение и ударное (динамическое) внедрение в почву.
На этом принципе в Ленинградской ордена Ленина лесотехнической академии им. С. М. Кирова (ныне С.-Пб. ГЛТА) в 1974 г. была создана первая в мире лесопосадочная машина ЛТУ-1 с
динамическим лункообразователем для посадки лесных культур на нераскорчеванных вырубках [1]. Испытания этой машины показали, что в режиме разделения механического образования лунок и ручного внесения в них растений эффективность посадки леса повышается. В двухрядном варианте производи-
тельность машины достигает 5 тыс. лунок в час, так что готовить их можно с необходимым запасом на отбраковку в зависимости от почвенных условий.
Схема динамического лункообра-зователя и способ посадки леса представлены на рис. 1.
Рис. 1. Динамический лункообразователь для лесных культур: 1 - игла, 2 - ограничитель заглубления, 3 - качающийся рычаг, 4 - пружина регулятора энергии, 5 - кулачковый механизм, 6 - верхний ограничитель поворота иглы, 7 - нижний ограничитель, 8 - ползун, 9 - пружина ползуна, 10 - лыжа, 11 - лунка, 12 - комок почвы для
заделки корней растений
Игла внедряется в почву под заданным углом в, равным примерно 1,35 рад (77°), далее происходит сдвиг почвы под стабильным углом у по ходу движения, и ее ограниченное программой работы кулачкового механизма 5 перемещение на край лунки.
Сажальщики пропускают места, где лунки приходятся на препятствия в почве, а для заделки корней используют комки почвы в виде призм треугольного сечения, устойчиво образующихся за счет сдвига почвы.
Утверждение о стабильной величине угла у справедливо, если значение величины угла в колеблется относительно указанной выше величине угла, установленной в эксперименте опытным путем, с учетом погрешностей. Эти погрешности вызваны изменением высоты оси подвеса качающегося рычага 3 над поверхностью почвы при переезде лыжей 10 через препятствия или в условиях выраженного микрорельефа.
При произвольном увеличении угла в путем конструктивных изменений машины характер деформации почвы, особенно гу-мусной, может измениться. Вместо сдвига призмы может произойти смятие почвы передней гранью иглы, что нежелательно для заделки корней высаживаемых вручную растений. При полностью механизированной посадке сдвиг призмы, наоборот, нежелателен, т.к. может вызвать наклон растения вперед
Ъ
[г]-к •
Fs =
БШу
под действием усилия со стороны заделывающего рабочего органа машины.
Отсюда возникает задача оптимизации угла в внедрения иглы в почву.
Точное решение этой задачи с учетом механических свойств почвы впервые было рассмотрено в работе [3] и выражается зависимостью:
+ к(^у + ^Р)
(/п + /) • СОБ(у + Р) + (1 - /п • /) • БШ(у + Р)
(1)
где FS - сила нормального давления иглы на почву;
[г] - удельное сопротивление почвы сдвигу;
к - глубина лунки; Ъ - ширина лунки;
у- угол сдвига почвы (вычисляемый); в - угол установки лобовой поверхно-
сти иглы к поверхности почвы (задаваемый);
/п - коэффициент внутреннего трения в почве;
/- коэффициент внешнего трения сталь-почва.
Условию сдвига почвы соответствует минимальное значение FS:
dFя Ъ • сояу + к Ъ , , Л
5 = 0; -^--tg(у + Р + фп + ф) + -.— + к • (^у + ^Р) = 0,
dу
sin2 у
sinу
где фП и ф - углы внутреннего и внешнего
трения, соответствующие величинам /п
и /
Выражение (2) в неявном виде содержит одну точно вычисляемую величину у.
В сходных условиях механические характеристики почвы меняются незначительно, и для практических расчетов можно использовать средние их значения.
Для гумусных почв зависимость между углами у и в можно выразить эмпирическим уравнением (величины представлены в градусах)
у0 = 74,47 - 0,527Р0.
(2)
(3)
В диапазоне в от 75 до 100° расхождение модели (1) с результатами, полученными аналитическим путем, не превышает 1 %, а с учетом реальной погрешности измерения характеристик почвы их вообще можно считать идентичными.
Диапазон варьирования в принят из следующих соображений: минимальный угол соответствует максимально допустимому отклонению стволика при вертикальной посадке - 15° согласно
агротехническим требованиям [2] максимальный угол 100° соответствует с некоторым запасом оптимальному положению стволика при вертикальной посадке - 90°. Запас 10° принят для учета локальной изменчивости механических характеристик почвы.
Выражение (4) для определения силы давления со стороны иглы на почву составлено исходя из модели выделения призмы. Выполненные расчеты показывают, что величина FS растет с увеличением угла р. Максимальная величина соответствует некоторому значению FSP, при достижении которого произойдет смятие почвы. Эта величина определится из выражения
/V
кН
уч
-35
3 sin Р
(4)
где [а] - удельное сопротивление почвы смятию.
Для гумусной почвы результаты расчетов представлены на рис. 2.
Вынося точку пересечения значений FS
и FSk' через линию у на оси координат, получаем оптимальные значения силы давления со стороны рабочего органа на почву и его угла установки к поверхности. Величина в=88° является критической, превышение ее приводит к переходу процессов от сдвига к смятию почвы.
10 -30
< А
в
7
Р°
Рис. 2. Оптимизация угла внедрения накалывающей иглы лункообразователя в почву:
А - граница допустимого отклонения от вертикальности посадки растений, В -граница между сдвигом и смятием почвы, С - область погрешности, D - область сдвига почвы, Е - область смятия почвы, в - угол внедрения, у - угол сдвига почвы, FS - сила давления передней грани иглы на почву, FS^р - максимальная величина силы давления по условию смятия почвы
Для минеральных почв характерно увеличенное по сравнению с гумусными соотношение между удельным сопротивлениями почвы смятию и сдвигу, и критическая точка смещается на 90° в большую сторону. Внедрение иглы в почву под углом в большим, чем 90° практически не встречается, если между рычагом и поверхностью почвы (рис. 1) оставлять просвет для пропуска препятствий, поэтому на минеральных почвах
проблем с образованием почвенной призмы не возникает в принципе.
На основании вышеизложенного величину угла внедрения иглы в почву для лунко-образователя можно рекомендовать в пределах 80+5°, что соответствует любым почвенным условиям. Заметим, что величина в, принятая опытным путем в первом экспериментальном образце [3], равная 77°, вполне соответствует оптимальному значению, это подтверждает адекватность модели.
Выводы.
1. Разработаны модели для определения геометрических и силовых показателей процесса образования лунки путем сдвига почвенной призмы, установлен закономерный характер этого процесса.
2. Оптимальный диапазон угла внедрения иглы в почву для устойчивого образования комка почвы, используемого для заделки корней высаживаемых растений, составляет величину 75-85°.
3. Рабочее сопротивление при образовании лунки не превышает 4 кН. Это позволяет применять для агрегатирования трактора лю-
бых классов тяги, ориентируясь только на их проходимость и грузоподъемность навесной системы.
Библиографический список
1. Помогаев С.А., Евсюнин В.И.. Цыпук А.М. Лесопосадочная машина нового типа для облесения нераскорче-ванных вырубок // Лесное хозяйство, лесная деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленность; Сб. статей о законченных НИР. Л.; ЛТА, 1075. С. 61-63.
2. Огиевский В.Г., Родин А.Р., Рубцов Н.И. Лесные культуры и мелиорация / М.: Лесн. пром-ть, 1974. 376 с.
3. Цыпук А.М. Исследование процесса работы динамического лункооб-разователя точечной лесопосадочной машины для облесения нераскорчеван-ных вырубок [Текст] : дис. .. .канд. техн. наук. / Цыпук А.М. Л.: ЛТА, 1971. 182 с.
