CC BY
0
ТЕХНОЛОГИИ И МАШИНЫ ЛЕСНОГО ДЕЛА FORESTRY TECHNOLOGIES AND MACHINES
Научная статья УДК 630*24
https://doi.Org/10.25686/2306-2827.2023.4.38 EDN: NUFBHG
Модернизация устройства для инъекции раствора в стволы деревьев нежелательных пород при химическом уходе за лесом
Е. М. Царев1, К. П. Рукомойников1^, В. Е. Макаров1, И. С. Анисимов1,
Н. С. Анисимов1, А. В. Кренев2, А. Л. Сидоров3
1 Поволжский государственный технологический университет,
Российская Федерация, 424000, Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3 2Учебно-опытный лесхоз (филиал) ПГТУ,
Российская Федерация, 424913, Йошкар-Ола, ул. Нолька, 43 3Йошкар-Олинский аграрный колледж Института механики и машиностроения ПГТУ, Российская Федерация, 424000, Йошкар-Ола, ул. Пушкина, 23 RukomojnikovKP@volgatech.netH
Введение. Концентрируясь на проблемах химического ухода за лесом путём инъекции химических растворов в зарубки на стволах, можно отметить, что при всей кажущейся простоте данный метод химического ухода в большинстве случаев требует значительных физических усилий при переносе устройств для инъекций, а также необходимости силовых воздействий операторов при внедрении режущих устройств в стволы деревьев. Цель исследования — модернизация устройства для инъекции химического раствора в стволы деревьев нежелательных лиственных пород, дающая возможность снижения трудоёмкости химического ухода за лесом с сокращением физической нагрузки на рабочего и повышением производительности лесохозяйственных работ. Объекты и методы. Объектом исследования в данной работе является устройство для химического ухода за лесом в молодняках. Использован метод литературного и патентного поисков. В качестве аналогов рассмотрены существующие технические решения, позволяющие осуществлять инъекции химических растворов в зарубки на стволах нежелательных деревьев и найден ряд достойных внимания результатов. Результаты. Научные исследования послужили основой разработки новой конструкции устройства для химического ухода за лесом, создан её натурный образец, проведены производственные опыты химического ухода в молодняках. Предложенное устройство доказало свою работоспособность и обеспечивает попадание химического раствора в ствол дерева, что предоставляет возможность химического ухода на осветлениях и прочистках. Выводы. В результате использования предложенной конструкции предполагается снижение трудоёмкости процесса зарубки ствола дерева, уменьшение физической нагрузки на оператора, за счёт чего увеличивается производительность труда, ускоряется процесс угнетения и гибели растений для создания благоприятных условий увеличения прироста лучших деревьев при улучшении их освещённости. Минимизация возможности попадания химического раствора в окружающую среду при его впрыске непосредственно в сердцевинные слои дерева соответствует современным требованиям экологической безопасности.
Ключевые слова: химический раствор; режущий механизм; надрез; арборициды; заглушающие породы; инъектор «Кобра»; электрифицированный инструмент
Финансирование: исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-19-00568 «Методы и интеллектуальная система поддержки динамической устойчивости операторов эргатических систем», https://rscf.ru/project/23-19-00568/.
© Царев Е. М., Рукомойников К. П., Макаров В. Е., Анисимов И. С., Анисимов Н. С., Кренев А. В., Сидоров А. Л., 2023.
Для цитирования: Модернизация устройства для инъекции раствора в стволы деревьев нежелательных пород при химическом уходе за лесом / Е. М. Царев , К. П. Рукомойников , В. Е. Макаров и др. // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер: Лес. Экология. Природопользование. 2023. № 4 (60). С. 38-49. https://doi.org/10.25686/2306-2827.2023A38; EDN: NUFBHG
Введение. Жаркое лето 2010 года запомнилось значительным количеством лесных пожаров. Их последствия в настоящее время заставляют работников лесной отрасли, а также учёных и исследователей задуматься о проблеме проведения осветлений на поражённых огнём территориях. Снижение эффективности лесоводствен-ных уходов на этих площадях обусловлено вегетативным возобновлением лиственных пород, заглушающих формирование хозяйственно ценного хвойного древостоя. Эффективное решение данного вопроса позволит в будущем сформировать рациональный с хозяйственной точки зрения состав древостоя в горельниках, на которых уже смыкаются кроны молодых деревьев, формируя лесную среду.
Существует несколько способов ухода за лесом, которые могут быть назначены по результатам мониторинга состава и состояния подроста на лесных участках [1, 2]:
1) машинный способ: к недостаткам этого способа следует отнести отсутствие лесных дорог в большинстве случаев организации работ в лесу, наряду с высокой себестоимостью лесохозяйственных операций и отсутствием какой-либо прибыли при заготовке тонкомерных лиственных деревьев, которые могут быть использованы разве что на жерди и низкосортные балансы для нужд целлюлозно-бумажной промышленности;
2) механический способ: недостатками этого способа является также высокая себестоимость в условиях заготовки жердей и низкосортных балансов на обрабатываемых территориях, а также высокие физические нагрузки на оператора при работе с кусторезом или бензомоторной пилой, загазованность, вибрация;
3) химический способ реализуется путём воздействия химических растворов, вводимых в древесину для замедления роста нежелательных деревьев лиственных пород и снижения их конкурентоспособности, а также для полного или частичного уничтожения таких деревьев. Данный вариант имеет существенные недостатки
по сравнению с предыдущими двумя способами ухода за лесом, имеющими биологические преимущества перед опасным с точки зрения экологии химическим способом, запускающим негативные последствия в лесном биогеоценозе [3 - 5]. В то же время, химический способ позволяет с помощью различных химических растворов всего за одну обработку исключить возобновление нежелательной лиственной растительности и обеспечить биологические преимущества роста хозяйственно ценных хвойных древесных пород [6, 7]. В ряде случаев этот факт делает химический способ достаточно эффективным и малозатратным.
Останавливаясь более подробно на химическом способе, можно отметить, что наиболее эффективным этапом начала его использования на лесных участках является этап формирования молодняков в ходе рубок осветления.
Возможны различные способы химической обработки лесных участков при рубках ухода:
- обработка пней лиственных деревьев химическими растворами;
- обработка древесных стволов лиственных деревьев путём инъекции химических растворов в зарубки на стволах;
- обработка крон лиственных деревьев и кустарников путём опрыскивания их с земли;
- обработка крон лиственных деревьев и кустарников путём авиаопрыскивания с использованием самолётов и квадроко-птеров [2].
Применение химического метода для ухода за лесом с учётом использования малотоксичных химикатов, не накапливающихся в лесной экосистеме, полностью удовлетворяет современным требованиям [8-10].
Актуальность химического варианта ухода обусловлена тем, что лишь он позволяет кардинально улучшить ситуацию на лесных участках в богатых лесорастительных условиях. Химический метод [11-13], в отличие от машинного и механического
уничтожения нежелательных древесных пород в составе молодняков, даёт возможность остановить их вегетативное восстановление и подсушить кроны растущих деревьев, увеличив период повторяемости уходов за составом леса [14, 15].
Концентрируясь на проблемах химического ухода за лесом путём инъекции химических растворов в зарубки на стволах, можно отметить, что при всей кажущейся простоте данный метод химического ухода в большинстве случаев требует значительных физических усилий при переносе устройств для инъекций, а также необходимости силовых воздействий операторов при внедрении режущих устройств в стволы деревьев. Модернизация существующих конструкций инъекторов и создание устройств, позволяющих уменьшить физические нагрузки операторов при работе и перемещении их в лесу с учётом сохранения эффекта или же повышения эффективности внедрения в древесину химических средств, несколько сужает область анализа, однако также является актуальной задачей при выполнении ухода за лесными участками.
Целью настоящего исследования является модернизация устройства для инъекции химического раствора в стволы деревьев нежелательных лиственных пород, дающая возможность снижения трудоёмкости химического ухода за лесом с сокращением физической нагрузки на рабочего и повышением производительности лесохозяйственных работ.
Объекты и методы исследования. Объектом исследования в данной работе является устройство для химического ухода за лесом в молодняках.
В ходе исследовательской работы коллективом авторов использован метод литературного и патентного поисков. В качестве аналогов рассмотрены существующие технические решения, позволяющие осуществлять инъекции арборицида в зарубки на стволах нежелательных деревьев и найден целый ряд достойных внимания результатов [16 - 18]. Наиболее востребо-
ванным из них в настоящее время и представляющим особый конструктивный интерес для дальнейшего анализа является устройство «Кобра» [19]. Однако, на наш взгляд, для подобного устройства характерна сложность конструкции, приводящая к его недостаточной надёжности, высокая трудоёмкость в процессе надрезания обрабатываемого ствола и значительная масса, приводящие к физической усталости рабочего, использующего устройство в течение всего рабочего дня. Химический раствор подаётся в древесину лишь по окружности ствола, не достигая его сердцевинных слоёв, а также существует возможность попадания части химического раствора в окружающую среду, в частности на почву вблизи удаляемого дерева.
Результаты и их обсуждение. Для достижения поставленной цели коллективом авторов предложен новый вариант устройства, используемого при химическом уходе в молодняках [20]. Представленная на рис. 1 конструкция обладает возможностью автономного использования за счёт силовой установки в виде встроенного аккумулятора 1, дрели 2. В качестве режущего органа разработанного устройства предлагается использование сверла 3. На дрели монтируется большой П-образный лоток 4, затягиваемый на корпусе с помощью двух болтов 5. Направляющая 6 закреплена в верхней части большого П-образного лотка. Ползун 7, установленный на направляющей, имеет возможность перемещения по ней в прямом и обратном направлении. Малый П-образный лоток 8, внутри которого имеется ёмкость 9, установлен на ползуне. Химический раствор заполняется в ёмкость с возможностью его впрыска в древесину посредством форсунки 10 за счёт нажатия на рукоять 11 для создания давления внутри ёмкости. Возвратный механизм, которым оснащён ползун, выполнен в виде пружины 12, которая установлена позади ползуна и крепится к направляющей для обеспечения перемещения ползуна в первоначальное положение.
a)
б)
в)
Рис. 1. Устройство для химического ухода за лесом: а — вид устройства сверху; б — процесс сверления древесины; в — процесс впрыска химического раствора
Fig. 1. Device for chemical forest maintenance:
a — top view of the device; b — the process of drilling wood; c — the process of injecting a chemical solution
В процессе работы устройства осуществляется сверление отверстия 13 в стволе растущего нежелательного дерева 14. Рекомендуемая глубина сверления составляет половину диаметра ствола дерева в месте его обработки (рис. 1, б). После сверления осуществляется возврат устройства и опускание его вниз до достижения форсункой уровня отверстия. Рабочий переводит ползун по направляющей в сторону отверстия, вводит в него
форсунки и рукояткой осуществляет впрыскивание в ствол дерева химического раствора из установленной на ползуне ёмкости (рис. 1, в). Срабатывает пружина, ёмкость раствора с форсункой для впрыскивания перемещается назад по ползуну в первоначальное положение. Рабочий переходит к следующему дереву и работа повторяется.
Общий вид разработанного устройства представлен на рис. 2.
а)
б)
в)
Рис. 2. Устройство для химического ухода за лесом: а — вид сбоку; б — вид сзади; в — вид спереди Fig. 2. Device for chemical forest maintenance: a — side view; b — rear view; c — front view
Были проведены натурные экспериментальные исследования работоспособности модернизированного варианта устройства для химического ухода за лесом в Оршанском районе Оршанского лесничества на Шулкинских арендных участковых лесничествах ООО «Оршанский лес», Республика Марий Эл. В ходе эксперимента оценивалась работоспособность устройства в плане обеспечения принципиальной возможности осуществления впрыска химикатов в центральные слои ствола дерева с помощью предложенной конструкции. Оценки влияния химического раствора на деревья не предусматривалось, так как
устройство универсально и может работать с использованием различных вариантов химических смесей, позволяющих получить различные результаты, работоспособность которых хорошо известна по исследованиям других авторов [3].
В качестве раствора использовался химический раствор на основе арборици-да ГЕЛИОС ЭКСТРА.
Процесс апробации работоспособности устройства при рубках осветления показан на рис. 3.
Этапы воздействия химического раствора на растущее дерево представлены на рис. 4.
Рис. 4. Экспериментальные результаты осветления: а — до ввода химического раствора; б — на 09.06. 2021; в — на 11.05.2023 Fig. 4. Experimental results of weeding:
a — before injecting the chemical solution; b — on 09 June 2021; c — on 11 May 2023
Рис. 3. Процесс впрыска химикатов с использованием предлагаемой технологии работ а — сверление; б — впрыск химического раствора Fig. 3. The process of injecting chemicals using the proposed technique a — drilling; b - injection of a chemical solution
Видно, что листва на 09.06.2021 г. (на 15 день после ввода инъекции) усыхает, а весной на 11.05.2023 г. листва на экспери-ментируемом дереве отсутствует, остался только ствол и нет признаков жизни. Наблюдения продолжаются.
Выводы:
1) предложенное устройство доказало свою работоспособность и обеспечивает попадание химического раствора в ствол дерева, что предоставляет возможность химического ухода на осветлениях и прочистках;
2) в результате использования модернизированного устройства снижается трудоёмкость процесса зарубки ствола дерева за счёт использования операции сверления и сокращения силового воздействия при резании;
3) модернизация позволила в несколько раз снизить вес предлагаемой конструкции по сравнению с весом инъ-ектора «Кобра», что приводит к уменьшению физической нагрузки на оператора при переносе устройства, а следовательно, к увеличению производительности труда;
4) устройство сохраняет все преимущества инъектора «Кобра», ускоряя про-
цесс угнетения и гибели растения, что ведёт к созданию благоприятных условий для увеличения прироста лучших деревьев за счёт увеличения освещённости.
Отсутствие препятствий для солнечных лучей и дождя, создаваемых ранее кронами нежелательных деревьев лиственных пород, позволяет обеспечить лучшие условия для роста остающихся деревьев после обработки лесных участков. Кроме того, использование данного метода (за-сверливание отверстия в стволе дерева) и предлагаемой конструкции устройства для химического ухода полностью соответствует современным требованиям экологической безопасности химического метода, отсутствует попадание химического раствора в окружающую среду, т. к. весь процесс происходит внутри замкнутого пространства в стволе дерева.
В дальнейшей работе для внедрения изобретения в производство планируется модернизация в плане обеспечения автоматического попадания препарата при сверлении деревьев. Техническая доработка позволит снизить риски контакта исполнителей работ с препаратом, а также увеличит производительность труда.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Егоров А. Б. Химический уход за лесом: история, современное состояние и перспективы развития // Труды Санкт-Петербургского научноисследовательского института лесного хозяйства. 2014. № 2. С. 43-55. EDN: SHRBQP
2. Денисов С. А., Домрачев А. А., Елсуков А. С. Опыт применения квадрокоптера для мониторинга возобновления леса // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер. Лес. Экология. Природопользование. 2016. № 4 (32). С. 34-46. DOI: 10.15350/2306-2827.2016.4.34; EDN: UZTNDD
3. Григорьева О. И., Гринько О. И., Григорьев И. В. Безопасное использование пестицидов в лесном хозяйстве // Безопасность и охрана труда в лесозаготовительном и деревообрабатывающем производствах. 2023. № 3. С. 48-68. EDN: FCNALR
4. Synthesis and herbicidal activity of 2-a cylimino-3-phenyl-1,3-thiazolines - A new family of bleaching herbicides / Y. Sanemitsu, S. Kawamura, J. Satoh et al. //
Journal of Pesticide Science. 2006. Vol. 31. Iss. 3. Pp. 305-310. DOI: 10.1584/jpestics.31.305
5. Synthesis and herbicidal activity of novel 5-substituted benzenesulfonylureas / M. Wang, X. Mu, W. Guo et al. // Chemical Research in Chinese Universities. 2007. Vol. 23. Iss. 6. Pp. 674-678. DOI: 10.1016/S1005-9040(07)60146-9
6. Primot S., Valantin-Morison U., Makowski D. Predicting the risk of weed infestation in winter oilseed rape crops // Weed Research. 2006. Vol. 46. Iss. 1. Pp. 22-33. DOI: 10.1111/j.1365-3180.2006.00489.x
7. Processes affecting the dissipation of the herbicide isoxaflutole and its diketonitrile metabolite in agricultural soils under field conditions /
S. Papiernik, S. Yates, W. Koskinen et al. // Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2007. Vol. 55. Iss. 21. Pp. 8630-8639. DOI: 10.1021/jf071256s
8. Predictive property models for use in design of controlled release of pesticides / N. Muro-Sune, R. Gani, G. Bell et al. // Fluid Phase Equilibria. 2005.
Vol. 228-229. Pp. 127-133. DOI: 10.1016/j.fluid.
2004.08.007
9. Ahmad Faiz M. A. Efficacy of Glyphosate and its Mixtures against Weeds under Young Rubber Forest Plantation // Journal of Rubber Research. 2006. Vol. 9. Iss. 1. Pp. 50-60.
10. Schulte U., Michel A. Vergleichende Nutzen-betrachtung ausgewahlter Breitband herbizide // Z. Pflanzenkrankh. und Pflanzenschutz. 2006. Spec. Iss. 20. Pp. 667-674.
11. Бакина Ю. В. Химическая обработка леса // Современные вопросы естествознания и экономики: Сборник трудов IV Международной научнопрактической конференции, Прокопьевск, 17 марта 2022 года. Прокопьевск: Филиал Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева», 2022. С. 276-278. EDN: LYWWBA
12. Королева Т. С., Константинов А. В. Принципы организации и приоритетные направления научно-исследовательской деятельности федерального бюджетного учреждения «Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт лесного хозяйства» // Труды Санкт-Петербургского научно-исследовательского института лесного хозяйства. 2019. № 3. С. 4-21. EDN: PUTYSQ
13. Регулирование состава насаждений способом инъекции гербицидов в стволы деревьев нежелательных древесных пород: история и перспективы / А. А. Бубнов, А. М. Постников, А. Б. Егоров и др. // Труды Санкт-Петербургского научно-исследовательского института лесного хозяйства. 2023. № 2. С. 4-17. DOI: 10.21178/2079-6080.2023.2.4; EDN: MFGLTN
14. The use of herbicides in cultivation of spruce and pine in the Northwest Russia / A. Egorov, A. Postnikov, A. Bubnov et al. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science: IV scientific-
technical conference «Forests of Russia: Policy, Industry, Science and Education», St. Petersburg, may 22-24 2019. St. Petersburg: Institute of Physics Publishing, 2019. Vol. 316. Art. 012078. DOI: 10.1088/1755-1315/316/1/012078; EDN: YKJZHZ
15. Патент № 2690471 Российская Федерация, МПК A01G23/00. Устройство для химического ухода за лесом / Царев Е. М., Анисимов С. Е., Заболотский В. М., Конюхова Т. А., Кренев А. В., Коновалова Ю. А., Анисимов Н. С., Анисимов И. С.; заявитель и патентообладатель ПГТУ, заявл. 22.05.2018, опублик. 03.06.2019. Бюл. № 16.
16. Патент № 2236780 Российская Федерация,
МПК A01G23/00, A01M21/02. Устройство для химического ухода / Алексеев Г. А., Алексеев Ю. Г.; заявитель и патентообладатель Алексеев Г. А., Алексеев Ю. Г., заявл. 04.10.2001, опублик.
27.09.2004. Бюл. № 27.
17. Кренев А. В. Технические решения для химического ухода за лесом // Инженерные кадры -будущее инновационной экономики России. Материалы Всероссийской студенческой конференции в 8 частях. Йошкар-Ола, 23-28 ноября 2015 года. Йошкар-Ола: ПГТУ, 2015. Ч. 2 С. 79-81. EDN: VMQFPF
18. Gehring K., Thyssen S., Fester T. Einfluss der Applikation mit abdriftreduzierten Dusen auf Wirksamkeit von Herbizidbehandlungen // Z. Pflan-zenkrankh. und Pflanzenschutz. 2006. Spec. Iss. 20. Pp. 233-240.
19. Алексеев Г. А. Рекомендации по уходу за молодняками леса инструментом «Кобра». Йошкар-Ола: МарГТУ, 2009. 40 с.
20. Патент № 2800996 Российская Федерация, МПК A01G 23/00, A01M 21/00. Устройство для химического ухода за лесом / Царев Е. М., Анисимов С. Е. Рукомойников К. П., Анисимов Н. С., Анисимов И. С., Гилязова Т. А., Макаров В. Е.; заявитель и патентообладатель ПГТУ, заявл. 19.04.2023, опубл. 01.08.2023. Бюл. № 22.
Статья поступила в редакцию 20.09.2023; одобрена после рецензирования 03.10.2023;
принята к публикации 27.12.2023.
Информация об авторах
ЦАРЕВ Евгений Михайлович - доктор технических наук, профессор кафедры лесопромышленных и химических технологий, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - новые приборы и интеллектуальные производственные технологии, направленные на поиск путей развития химического ухода за лесом, лесопиления, манипуляторного оборудования и рабочих органов лесозаготовительных машин. Автор 250 научных публикаций, в том числе одной монографии, 148 патентов РФ на изобретения. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5695-3028; SPIN-код: 3117-8576
РУКОМОЙНИКОВ Константин Павлович - доктор технических наук, профессор кафедры лесопромышленных и химических технологий, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - технология и оборудование лесопромышленных производств. Автор 200 научных публикаций. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9956-5081; SPIN-код: 9119-8261
МАКАРОВ Владимир Евгеньевич - старший преподаватель кафедры транспортнотехнологических машин, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - механика технологических процессов. Автор 10 научных публикаций. ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2564-0832
АНИСИМОВ Илья Сергеевич - студент направления подготовки 35.03.06 «Агроинженерия» кафедры эксплуатация машин и оборудования, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - новые приборы и интеллектуальные производственные технологии, направленные на поиск путей развития химического ухода за лесом, агроинженерия. Автор 32 научных публикаций. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9528-8988; SPIN-код: 7951-9072
АНИСИМОВ Никита Сергеевич - студент направления подготовки 35.03.06 «Агроинженерия» кафедры эксплуатация машин и оборудования, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - новые приборы и интеллектуальные производственные технологии, направленные на поиск путей развития химического ухода за лесом, агроинженерия. Автор 32 научных публикаций. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8465-261X; SPIN-код: 8848-6902
КРЕНЕВ Андрей Вячеславович - начальник учебно-производственного участка Учебно-опытного лесхоза (филиал ФГБОУ ВО «ПГТУ»), доцент, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - новые приборы и интеллекту -альные производственные технологии, направленные на поиск путей развития химического ухода за лесом, технология и оборудование лесопромышленных производств. Автор 29 научных публикаций. ORCID: https://orcid.org/ 0000-0002-7670-9732; SPIN-код: 4488-5413
СИДОРОВ Александр Львович - преподаватель Йошкар-Олинского аграрного колледжа Института механики и машиностроения ФГБОУ ВО «ПГТУ». Область научных интересов - новые приборы и интеллектуальные производственные технологии, направленные на поиск путей развития агроинженерии. Автор пяти научных публикаций. ORCID: https://orcid.org/0009-0000-1298-5714
Вклад авторов:
Царёв Е. М. - идея и её разработка, патентный поиск, выполнение полевых работ.
Рукомойников К. П. - разработка конструкции, выполнение полевых работ, подготовка рукописи статьи.
Макаров В. Е. - разработка конструкции.
Анисимов И. С. - разработка конструкции, анализ результатов.
Анисимов Н. С. - разработка конструкции, анализ результатов.
Кренев А. В. - организация, подготовка и выполнение полевых работ, материальное обеспечение полевых работ.
Сидоров А. Л. - выполнение полевых работ.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
Scientific article UDC 630*24
https://doi.Org/10.25686/2306-2827.2023.4.38 EDN: NUFBHG
Modernization of a Device for Injecting a Solution into the Tree Trunks of Undesirable Species During Chemical Maintenance of Forests
E. M. Tsarev1, K. P. Rukomojnikov1B, V. E. Makarov1,1. S. Anisimov1, N. S. Anisimov1,
A. V. Krenev1 2, A. L. Sidorov3
1Volga State University of Technology,
3, Lenin Sq., Yoshkar-Ola, 424000, Russian Federation 2Educational and Experimental Forestry, Branch of Volga State University of Technology,
43, Nolka, 424913, Russian Federation
3Yoshkar-Ola Agrarian College at the Institute of Mechanics and Machine Building,
Volga State University of Technology,
23, Pushkin St., Yoshkar-Ola, 424000, Russian Federation RukomojnikovKP@volgatech.netH ABSTRACT
Introduction. When considering the issues of chemical maintenance of forest stands by injecting chemical solutions into the cuts made on tree trunks, one may note that, despite its seeming simplicity, this method of chemical carding is in most cases associated with a significant amount of physical effort required from the operator to carry the injection devices and insert the cutting tools into the tree trunks. The aim of the study is to modernize a device for injecting a chemical solution into the tree trunks of undesirable deciduous species, which will make it possible to reduce the labor intensity of chemical forest maintenance by reducing the physical load on the operator and increasing the productivity of forestry activities. Objects and methods. The object of study in the present work is a device for chemical carding of young stands. The method of literature and patent search was used in the research. The authors considered the existing technical solutions for introducing soluble chemicals into the cuts on the trunks of unwanted trees as analogues and found several search results to be worthy of attention. Results. The research served as a basis for developing a new design of the device for chemical forest maintenance. A full-scale specimen of the device was created, and field experiments of chemical carding of young forest stands were carried out. The proposed device proved to be effective. It ensures the introduction of the chemical solution directly into the tree trunk, which enables chemical treatments during weeding and cleaning. Conclusion. The use of the proposed design is expected to make the process of tree trunk cutting less labor-intensive and thus reduce the physical load on the operator, thereby increasing labour efficiency. It should also accelerate the suppression and death of unwanted vegetation, thus creating favorable conditions for increasing the growth rate of the best trees due to greater light availability. Minimizing the risk of releasing chemical solutions in the environment when injected directly into the inside wood of the tree meets modern environmental safety requirements.
Keywords: chemical solution; cutting mechanism; incision; arboricides; smothering crops; ‘Cobra’ injector; electrically driven tool
Funding: the study was supported by the Russian Science Foundation Grant No. 23-19-00568 “Methods and intelligent system for supporting dynamic stability of operators of ergatic systems”, https://rscf.ru/project/23-19-00568/.
REFERENCES
1. Egorov A. B. Khimicheskiy ukhod za lesom: istoriya, sovremennoye sostoyaniye i perspektivy razvitiya [Chemical forest care: history, current state and prospects of development]. Trudy Sankt-Peterburgskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta lesnogo khozyaystva [Proceedings of the Saint Petersburg Forestry Research Institute]. 2014. No 2. Pp. 43-55. EDN: SHRBQP (In Russ.).
2. Denisov S. A., Domrachev A. A., Elsukov A. S.
Opyt primeneniya kvadrokoptera dlya monitoringa vozobnovleniya lesa [The experience of using a quad-
rocopter for monitoring forest regeneration]. Vestnik Povolzhskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta. Ser. Les. Ekologiya. Prirodopol'zovaniye [Vestnik of the Volga State University of Technology. Ser. Forest. Ecology. Nature management]. 2016. No 4 (32). Pp. 32-46. DOI: 10.15350/2306-2827.2016.4.34; EDN: UZTNDD (In Russ.).
3. Grigoreva O. I., Grinko O. I., Grigoriev I. V. Be-zopasnoye ispol'zovaniye pestitsidov v lesnom kho-zyaystve [Safe use of pesticides in forestry]. Bezopas-nost' i okhrana truda v lesozagotovitel'nom i dere-
voobrabatyvayushchem proizvodstvakh [Occupational Health and Safety in Logging and Woodworking Industries], 2023. No 3, Pp, 48-68, EDN: FCNALR (In Russ,),
4, Sanemitsu Y,, Kawamura S,, Satoh J,et al, Synthesis and herbicidal activity of 2-a cylimino-3-phenyl-1,3-thiazolines - A new family of bleaching herbicides, Journal of Pesticide Science, 2006, Vol, 31, No 3, Pp, 305-310, DOI: 10.1584/jpestics.31.305
5, Wang M,, Mu X,, Guo W,, Li Y, Synthesis and herbicidal activity of novel 5-substituted benzene-sulfonylureas, Chemical Research in Chinese Universities, 2007, Vol, 23, No 6, Pp, 674-678, DOI: 10,1016/S1005-9040(07)60146-9
6, Primot S,, Valantin-Morison M,, Makowski D, Predicting the risk of weed infestation in winter oilseed rape crops, Weed Research, 2006, Vol, 46, No 1, Pp, 22-33, DOI: 10.1111/j.1365-3180.2006.00489.x
7, Papiernik S,K,, Yates S, R,, Koskinen W, C,, Barber B, Processes affecting the dissipation of the herbicide isoxaflutole and its diketonitrile metabolite in agricultural soils under field conditions, Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2007, Vol, 55, No 21, Pp, 8630-8639, DOI: 10,1021/jf071256s
8, Muro-Sune N,, Gani R,, Bell G,, Shirley I, Predictive property models for use in design of controlled release of pesticides. Fluid Phase Equilibria, 2005, Vol, 228-229, Pp, 127-133, DOI: 10.1016/j.fluid.2004.08.007
9, Ahmad Faiz M, A, Efficacy of Glyphosate and its Mixtures against Weeds under Young Rubber Forest Plantation, Journal of Rubber Research, 2006, Vol, 9, Iss, 1, Pp, 50-60,
10, Schulte U,, Michel A, Vergleichende Nutzenbetrachtung ausgewahlter Breitband herbi-zide, Z. Pflauzenkrankh und Pflanzenschutz, 2006, Spec, Issue 20, Pp, 667-674, (In German),
11, Bakina Yu, V, Khimicheskaya obrabotka lesa [Chemical treatment of stands], Sovremennyye vo-prosy yestestvoznaniya i ekonomiki: Sbornik trudov IV Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, Prokopyevsk, 17 marta 2022 goda [Modern issues of natural science and economics: Collection of proceedings of the IV International Scientific and Practical Conference, Prokopyevsk, March 17, 2022], Prokopyevsk: Branch of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education "Kuzbass State Technical University named after T, F, Gorbachev" in Prokopyevsk, 2022, Pp, 276-278, EDN: LYWWBA (In Russ,),
12, Koroleva T, S,, Konstantinov А, V, Printsipy organizatsii i prioritetnyye napravleniya nauchno-issledovatel'skoy deyatel'nosti federal'nogo byud-zhetnogo uchrezhdeniya «Sankt-Peterburgskiy nauch-no-issledovatel'skiy institut lesnogo khozyaystva» [The main concepts and priorities for research activities of the Saint Petersburg Forestry Research Institute], Trudy Sankt-Peterburgskogo nauchno-issledovatel'skogo in-
stituta lesnogo khozyaystva [Proceedings of the Saint Petersburg Forestry Research Institute], 2019, No 3, Pp, 4-21, EDN: PUTYSQ (In Russ,),
13, Bubnov A, A,, Postnikov А, M,, Egorov А, B, et al, Regulirovaniye sostava nasazhdeniy sposobom in"yektsii gerbitsidov v stvoly derev'yev nezhelatel'nykh drevesnykh porod: istoriya i perspektivy [Regulation of the composition of plantations by the method of injection of herbicides into unwanted tree species: history and perspectives], Trudy Sankt-P eterburgskogo nauchno-issledovatel’skogo instituta lesnogo khozyaystva [Proceedings of the Saint Petersburg Forestry Research Institute], 2023, No 2, Pp, 4-17, DOI: 10,21178/2079-6080,2023,2,4; EDN: MFGLTN (In Russ,),
14, Egorov A,, Postnikov A,, Bubnov A, et al, The use of herbicides in cultivation of spruce and pine in the Northwest Russia, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science: IV scientific-technical conference "Forests of Russia: Policy, Industry, Science and Education", St, Petersburg, May 22-24, 2019, St, Petersburg: Institute of Physics Publishing, 2019, Vol, 316, Art, 012078, DOI: 10,1088/1755-1315/316/1/012078
15, Tsarev E, M,, Anisimov S, E,, Zabolotsky V, M,, Konyukhova T, A,, Krenev A, V,, Konovalova Yu, A,, Anisimov N, S,, Anisimov I, S, Ustroystvo dlya khimicheskogo ukhoda za lesom [A device for chemical forest maintenance], Patent RF, no, 2690471, 2019, (In Russ,),
16, Alekseev G, A,, Alekseev Yu, G, Ustroystvo dlya khimicheskogo ukhoda [A device for chemical forest maintenance], Patent RF, no, 2236780, 2004, (In Russ,),
17, Krenev A, V, Tekhnicheskiye resheniya dlya khimicheskogo ukhoda za lesom [Technical solutions for chemical forest care], Inzhenernyye kadry — budushcheye innovatsionnoy ekonomiki Rossii. Materialy Vse-rossiyskoy studencheskoy konferentsii v 8 chastyakh, Yoshkar-Ola, 23—28 noyabrya 2015 goda. Chast 2 [Engineering personnel - the future of Russia’s innovative economy, Proceedings of the All-Russian Student Conference, Yoshkar-Ola, November 23-28, 2015, In 8 parts, Part 2]. Yoshkar-Ola, VSTU Publ,, 2015, Pp, 79-81, EDN: VMQFPF (In Russ,),
18, Gehring K,, Thyssen S,, Fester T, Einfluss der Applikation mit abdriftreduzierten Dusen auf Wirksamkeit von Herbizidbehandlungen, Z. Pflau-zenkrankh und Pflanzenschutz, 2006, Spec, Issue 20, Pp, 233-240, (In German),
19, Alekseev G, A, Rekomendatsii po ukhodu za molodnyakami lesa instrumentom «Kobra» [Recommendations for the care of young stands by the Cobra device], Yoshkar-Ola: MarSTU Publ,, 2009, 40 p, (In Russ,),
20, Tsarev E, M,, Anisimov S, E, Rukomojni-kov K, P,, Anisimov N, S,, Anisimov I, S,, Gilyazova T, A,, Makarov V, E, [Ustroystvo dlya khimicheskogo ukhoda za lesom [A device for chemical forest maintenance] Patent RF, no, 2800996, 2023, (In Russ,),
The article was submitted 20,09,2023; approved after reviewing 03,10,2023;
accepted for publication 27,12,2023
For citation: Tsarev E. M., Rukomojnikov K. P., Makarov V. E., Anisimov I. S., Anisimov N. S., Kre-nev A. V., Sidorov A. L. Modernization of a Device for Injecting a Solution into the Tree Trunks of Undesirable Species During Chemical Maintenance of Forests. Vestnik of Volga State University of Technology. Ser.: Forest. Ecology. Nature Management. 2023. № 4 (60). Pp. 38-49. (In Russ.). https://doi.org/10.25686/2306-2827.2023.4.38; EDN: NUFBHG
Information about the authors
Evgeny M. Tsarev - Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Department of Timber Processing and Chemical Technologies, Volga State University of Technology. Research interests -new devices and intelligent production technologies aimed at further improvement of the chemical maintenance of forests and at the development of sawmilling and manipulator equipment and working bodies of logging machines. Author of more than 250 scientific publications, including one monograph, 148 RF patents for inventions. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5695-3028; SPIN-code: 3117-8576
Konstantin P. Rukomojnikov - Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Department of Timber Processing and Chemical Technologies, Volga State University of Technology. Research interests - timber industry technology and equipment. Author of more than 200 scientific publications. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9956-5081; SPIN-code: 9119-8261
Vladimir E. Makarov - Senior Lecturer, Department of Transport and Technological Machines, Volga State University of Technology. Research interests - mechanics of technological processes. Author of 10 scientific publications. ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2564-0832
Ilya S. Anisimov - Undergraduate student of the training direction 35.03.06 Agroengineering, Department of Operation of Machines and Equipment, Volga State University of Technology. Research interests - new devices and intelligent production technologies aimed at the development of chemical forest maintenance and agroengineering. Author of 32 scientific publications. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9528-8988; SPIN-code: 7951-9072
Nikita S. Anisimov - Undergraduate student of the training direction 35.03.06 Agroengineering, Department of Operation of Machines and Equipment, Volga State University of Technology. Research interests - new devices and intelligent production technologies aimed at the development of chemical forest maintenance and agroengineering. Author of 32 scientific publications. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8465-261X; SPIN-code: 8848-6902
Andrey V. Krenev - Head of the Training and Production Section of the Educational and Experimental Forestry (Branch) of Volga State University of Technology, Associate Professor, Volga State University of Technology. Research interests - new devices and intelligent production technologies aimed further improvement of chemical maintenance of forests and the development of timber industry technology and equipment. Author of 29 scientific publications. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7670-9732; SPIN-code: 4488-5413
Alexander L. Sidorov - Lecturer, Yoshkar-Ola Agricultural College at the Institute of Mechanics and Machine Building of Volga State University of Technology. Research interests - new devices and intelligent production technologies aimed at further development of agricultural engineering. Author of five scientific publications. ORCID: https://orcid.org/0009-0000-1298-5714
Contribution of authors:
Tsarev E. M. - research idea and its development, patent search, field work.
Rukomojnikov K.P. - design development, field work, manuscript preparation.
Makarov V.E. - design development.
Anisimov I.S. - design development, analysis of results.
Anisimov N.S. - design development, analysis of results.
Krenev A.V. - organization, preparation and implementation of field work, material support of field work.
Sidorov A.L.-field work.
The authors declare that they have no conflict of interest.
All authors read and approved the final manuscript.
