CC BY
0
УДК 630.370 DOI: 10.53374/1993-0135-2023-4-355-360
Хвойные бореальной зоны. 2023. Т. XLI, № 4. С. 355-360
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ПРИНЦИПА РАБОТЫ УСТРОЙСТВА РАЗРЫХЛЕНИЯ И ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ТОРФОСМЕСИ ДЛЯ ПОСЕВА СЕМЯН В КАССЕТЫ ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ СЕЯНЦЕВ С ЗАКРЫТОЙ КОРНЕВОЙ СИСТЕМОЙ*
Е. В. Авдеева, Н. Л. Ровных, Д. Е. Шиагии
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
В настоящее время перспективным направлением является выращивание посадочного материала с закрытой корневой системой (ЗКС). Во многих странах (Финляндия, Швеция, Норвегия, Канада) восстановление лесов и лесоразведение проводится преимущественно сеянцами с закрытой корневой системой. В странах Европы, Америки и Азии созданы тепличные комплексы, в которых выполняются все приемы выращивания ЗКС. В России имеются питомники, в которых применяется в основном зарубежное оборудование по посеву семян. Одним из путей решений данной проблемы в России является разработка и внедрение импортозамещающего комплекса оборудования для выращивания сеянцев с закрытой корневой системой в теплицах. Важным устройством данного комплекса является оборудование для измельчения прессованного субстрата. В статье представлен аналитический обзор существующих аналогов оборудования (Россия, Швеция, Китай) для измельчения прессованного субстрата для высева семян в кассеты, выявлены и преимущества, и недостатки. В ходе научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок разработана 3Д моделей устройства для разрыхления и измельчения субстрата для посева семян для выращивания сеянцев с закрытой корневой системой, обосновано количество фрез, выполнен расчет производительности, проведено обоснование параметров с учетом опыта зарубежных и отечественных аналогов.
Ключевые слова: закрытая корневая система, лесоразведение, оборудование для измельчения прессованного субстрата.
Conifers of the boreal area. 2023, Vol. XLI, No. 4, P. 355-360
SUBSTANTIATION OF PARAMETERS AND PRINCIPLE OF OPERATION OF A DEVICE FOR GRINDING PEAT MIXTURE FOR SOWING SEEDS IN CASSETTES WHEN GROWING SEEDLINGS WITH A CLOSED ROOT SYSTEM
E. V. Avdeeva, N. L. Rovnykh, D. E. Shpagin
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
Currently, a promising direction is the cultivation of planting material with a closed root system (ZKS). In many countries (Finland, Sweden, Norway, Canada), reforestation and afforestation is carried out mainly with seedlings with a closed root system. Greenhouse complexes have been created in the countries of Europe, America and Asia, in which all methods of growing ZKS are performed. There are nurseries in Russia that mainly use foreign equipment for sowing seeds. One of the ways to solve this problem in Russia is the development and implementation of an import-substituting set of equipment for growing seedlings with a closed root system in greenhouses. An important device of this complex is the equipment for grinding the pressed substrate. The article presents an analytical review of existing analogues of equipment (Russia, Sweden, China) for grinding a pressed substrate for sowing seeds in cassettes. Both advantages and disadvantages have been identified. In the course of research and development, 3D models of a device for grinding a substrate for sowing seeds for growing seedlings with a closed root system were developed, the number of cutters was substantiated, productivity was calculated, parameters were optimized taking into account the experience of foreign and domestic analogues.
Keywords: closed root system, afforestation, equipment for grinding ofpressed substrate.
Работа выполнена при финансовой поддержке Красноярского краевого фонда поддержки науки и технологий в рамках проекта № 2022030508374.
СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ
В настоящее время особенно актуальна необходимость внедрения инновационных форм лесовосста-новления, направленных на получение качественных лесных насаждений в более короткие сроки. Посадочный материал с закрытой корневой системой - это сеянцы или саженцы, выращенные в специальном субстрате и предназначенные для посадки на постоянное местопроизрастание с комом земли.
Начиная с 1950-х гг., ученые начали научно-исследовательские работы по выращиванию посадочного материала с закрытой корневой системой (ЗКС). Большинство исследователей сходятся в мнении о том, что искусственные насаждения превосходят естественные по производительности [1; 2; 3; 4; 5; 6] и увеличение доли искусственного лесовосстановления и лесоразведения можно рассматривать, как направления повышения продуктивности лесов [5; 6].
Ряд авторов как преимущества искусственного ле-совосстановления над естественным выделяют следующие: быстрота роста древостоев в молодом возрасте; более быстрые темпы (до определенного возраста) накопления древе-сокращение сроков выращивания древостоев на 10-20 лет; отсутствие до смыкания крон конкуренции у деревьев, более позднее наступление дифференциации их; дифференциация деревьев протекает слабее за счет концентрации большего количества деревьев в центральных ступенях толщины; предотвращение нежелательной смены пород; создание насаждений любого целевого назначения; улучшение лесорастительных условий за счет обработки почвы; возможность равномерного размещения деревьев по площади; ускорение направленной селекции древесных пород; одновременность заселения культивируемой площади [5].
Использование посадочного материала с закрытой корневой системой (ЗКС) при восстановлении насаждений и в защитном лесоразведении является перспективным направлением, о чем свидетельствует большой интерес к нему как научных исследователей, так и производственников. Целью федерального проекта «Сохранение лесов» является обеспечение баланса выбытия и воспроизводства лесов в соотношении 100 % к 2024 году. Одним из показателей федерального проекта обозначено количество выращенного посадочного материала лесных растений. В Правилах лесовосстановления [7] запланировано постепенное увеличение площадей искусственного и комбинированного лесовосстановления с использованием посадочного материала с закрытой корневой системой (к 01.01.2030 г. не менее 45 % площадей искусственного и комбинированного лесовосстановления).
Вектор развития лесного сектора экономики России задают такие документы, как «Стратегия развития лесного комплекса Российской Федерации до 2030 года»; «Основы государственной политики в области использования, охраны, защиты и воспроизводства лесов в Российской Федерации на период до 2030 года»; государственная программа Российской Федерации «Развитие лесного хозяйства на 2013-2020 годы (с изменениями на 30 марта 2018 года)» [8]. Таким образом, доля искусственного лесовосстановления
с использованием посадочного материала ЗКС должна постепенно возрастать.
В настоящее время выращиванию посадочного материала с закрытой корневой системой уделяется пристальное внимание. Во многих странах (Финляндия, Швеция, Норвегия и Канада) восстановление лесов и лесоразведение проводится преимущественно сеянцами с закрытой корневой системой. В странах Европы, Америки и Азии созданы тепличные комплексы, в которых выполняются все приемы выращивания ЗКС. В России имеются питомники, в которых применяются зарубежные технологии и оборудование. Таким образом, одним из путей решений данной проблемы является разработка и внедрение импортозамещающего комплекса оборудования для выращивания сеянцев с закрытой корневой системой в теплицах. Важным устройством данного комплекса является оборудование для измельчения прессованного субстрата. Далее представлен аналитический обзор существующих аналогов оборудования для измельчения прессованного субстрата для высева семян в кассеты.
ОБЗОР АНАЛОГОВ ОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯ РАЗРЫХЛЕНИЯ И ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
ПРЕССОВАННОГО СУБСТРАТА
Линия измельчения субстрата предприятия «Тульские Машины» (Россия). Основой субстрата служит сфагновый торф, установка позволяет измельчить и обработать паром субстрат для заполнения и засева кассет для лесопитомников. Заполнение кассет происходит в несколько этапов. Первым этапом дозатор брикетов Big-Bale распределяет упаковку субстрата, измельчая её и передавая на следующий этап. Следующий этап - установка, измельчающая субстрат до нужной фракции и обрабатывающая его. Установка подаёт субстрат снизу-вверх с помощью шнека, работая по принципу мясорубки. Дезинфекция происходит с помощью пара, подаваемого в туннельный транспортер. В установку входит парогенератор и система распределения пара. При дезинфекции температура поднимается до уровня, при котором практически все вредные организмы уничтожаются, не ухудшая качество торфа. Процесс не оставляет токсичных остатков в субстрате. Оборудование для дезинфекции состоит из передвижного парогенератора и транспортёра (рис. 1) [9]. Принцип и особенности работы установки: субстрат подается в бункер емкостью 3 м3, откуда перемещается в роторно-дисковый измельчитель РДИ-350 с помощью шнекового питателя (длина питателя 6 м); измельченный торф транспортируется ленточным конвейером длиной 4 м и шириной 500 мм; для избежания налипания и зависания материала, в бункере располагается вращающийся ворошитель [9; 10].
Преимущества установки: обладает съёмными крышками для легкости обслуживания; перед обработкой торфа установлен ворошитель, способный измельчить торф до его попадания в работу установки.
Измельчитель «СтройМеханика» (Россия). Дробилка представляет собой механизм, основными конструктивными элементами которого являются два массивных ротора, четыре подшипниковых узла, вынесенных за корпус дробилки. Корпус дробилки
выполнен разборным, благодаря этому техническому решению полная замена дробящих ножей занимает не более двух часов. Дробление комков осуществляется в дробильном отсеке, за счет ритмичных ударов жестко зафиксированных на роторе дисковых ножей. Ножи изготовлены из углеродистой стали с содержанием марганца, прошедшие термообработку, что позволяет в свою очередь обеспечить исключительное сопротивление истиранию при дроблении (рис. 2) [11]. Технические характеристики измельчителя: длинна 0,87 м; ширина 0,67 м; высота 0,33 м; вес 80 кг; электропитание 380в 50гц; производительность 25 м3/ч.
Недостатками данной установки является отсутствие функции обработки паром и возможности выбора фракции субстрата.
Устройство для измельчения и обработки торфа паром ВСС (Швеция). Первым устройством в линии по посеву семян с ЗКС является устройство для распушения спрессованного торфа. Оно представляет
собой бункер, в котором благодаря движению цепей и трению торфа о стенки происходит его предварительное измельчение (рис. 3). Технические характеристики установки: длинна 5,8 м; ширина 1,86 м; высота 3,55 м; вес 1000 кг; электропитание 400в 50 Гц; производительность 6-8 м3/ч.
Недостатками установки являются неудобство загрузки субстрата, рассыпание субстрата на входе после предыдущей установки.
Дробилка для торфа «Pellet and Briquet Machine» (Китай). Процесс производства: сырье подается в измельчитель торфа - дробилку специальной конструкции (двухвалковая зубчатая, с вращением валков навстречу друг другу), затем сушится до необходимой кондиции и прессуется в брикеты установленного размера (рис. 4) [12]. Технические характеристики дробилки P&B Machine [10]: длинна 1,45 м; ширина 1,45 м; высота 2,6 м; вес 1470 кг; электропитание 400в 50 Гц; производительность 5 т/ч.
Рис. 2. Измельчитель, производитель компания «СтройМеханика»
Рис. 3. Установка для обработки торфа паром, Рис. 4 Дробилка торфа, производитель
используемая в УЗС г. Красноярск - шнек «Pellet and Briquet Machine»
и наполнитель кассет субстратом
Таким образом, анализ существующих устройств для измельчения субстрата выявил преимущества и недостатки конструкций, позволил принять конструкторские решения при проектировании оборудования для измельчения прессованного субстрата для импортозамещающего комплекса оборудования точного высева семян для выращивания сеянцев с закрытой корневой системой.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы является разработка устройства для измельчения субстрата для высева семян для выращивания сеянцев с закрытой корневой системой. Задачи научно-исследовательской работы: теоретическое обоснование, аналитические и экспериментальные исследования конструктивных и кинематических параметров, разработка 3D-моделей устройства, расчет производительности и количества пар фрез. В основу конструкции положен анализ рассмотренных аналогичных устройств.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Спроектированный измельчитель субстрата может использоваться как элемент комплекса оборудования точного высева семян для выращивания сеянцев с закрытой корневой системой, так и так в качестве отдельного агрегата для измельчения. 3Д модель устройства представлена на рис. 5.
Принцип работы измельчителя заключается в использовании двух валов, каждый из которых использует по 7 фрез, и вращается навстречу друг другу, расположенных на одинаковые расстояния друг от друг для обеспечения измельчения с нужной фракцией. Валы с одной стороны закреплены с помощью подшипникового узла, с другой стороны опорой служит мотор-редуктор, закрепленный с помощью болтового соединения на корпусе измельчителя (рис. 6, 7).
Для соединения с другими агрегатами комплекса оборудования измельчитель bvttn фланвд. Внутри измельчителя предусмотрены специальные ребра, установленные параллельно фрезам внутри корпуса, которые позволяют контролировать размер фракций, исключают вероятность поднятия торфа обратно в бункер, не позволяет заблокировать входную часть измельчителя субстратом. Переходная воронка позволяет подавать торф в нужную область измельчителя.
Для обеспечения нормального функционирования всего комплекса по посеву семян, с учетом исключения минимального простоя, определена производительность измельчителя - 35 м3 торфа в час. На основании этого рассчитано необходимое и достаточное количество пар фрез, с учетом объёма вместимости торфосмеси одного звена - 0,000032 м3. Заданную производительность обеспечат 7 пар фрез в диапазоне скорости вращения валов с фрезами 20-40 об/мин, что снижает уровень шума и пыли от установки (табл. 1, рис. 8).
Рис. 5. 3D-модель устройства для измельчения субстрата
Рис. 6. 3D-модель вала с фрезами
Рис. 7. 3D-модель фрезы
Производительность оборудования для измельчения субстрата разного количества пар фрез при работе на разных оборотах, м3 торфа в час
Скорость вращения валов измельчителя Количество пар фрез
Об/мин 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 0,192 0,384 0,768 1,536 3,072 6,144 12,288 24,576 49,152
20 0,384 0,768 1,536 3,072 6,144 12,288 24,576 49,152 98,304
30 0,576 1,152 2,304 4,608 9,216 18,432 36,864 73,728 147,456
40 0,768 1,536 3,072 6,144 12,288 24,576 49,152 98,304 196,608
50 0,96 1,92 3,84 7,68 15,36 30,72 61,44 122,88 245,76
60 1,152 2,304 4,608 9,216 18,432 36,864 73,728 147,456 294,912
70 1,344 2,688 5,376 10,752 21,504 43,008 86,016 172,032 344,064
80 1,536 3,072 6,144 12,288 24,576 49,152 98,304 196,608 393,216
90 1,728 3,456 6,912 13,824 27,648 55,296 110,59 221,184 442,368
100 1,92 3,84 7,68 15,36 30,72 61,44 122,88 245,76 491,52
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 о
60
10 20 30 40 50
1 пара 2 лары
4 пары 5 пар
7 пар 8 пар
10 пар - Минимальный объем
90
70 80 3 пары ■^—6 пар
-9 пар
Максимальный объем
100
Скорость
вращения,
об/мин
Рис. 8. Производительность оборудования для измельчения субстрата с определенным количеством пар фрез при работе на разных оборотах, м3 торфа в час
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представлены результаты научно-исследовательской и опытно-конструкторской разработки устройства измельчения и разрыхления прессованного субстрата в составе импортозамещающего комплекса оборудования для высева семян и выращивания сеян-
цев с закрытой корневой системой; выполнен анализ существующих устройств для измельчения субстрата, выявлены преимущества и недостатки конструкций, что позволил использовать полученный опыт при принятии конструкторских решений при проектировании оборудования для измельчения прессованного
субстрата; обоснована производительность измельчителя и на основании этого рассчитано необходимое и достаточное количество пар фрез.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Редько Г. И. Линдуловская лиственничная роща. Л., 1984. 94 с.
2. Залесов С. В., Лобанов А. Н., Луганский Н. А. Рост и производительность сосняков искусственного и естественного происхождения. Екатеринбург : Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2002. 112 с.
3. Осипенко А. Е., Залесов С. В. Запас искусственных сосновых древостоев в аридных условиях // Современные проблемы науки и образования. 2015.
4. Залесов С. В., Луганский Н. А. Повышение продуктивности сосновых лесов Урала. Екатеринбург : Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2002. 331 с.
5. Гоф А. А., Залесов С. В. Эффективность создания лесных культур сосны обыкновенной сеянцами с закрытой корневой системой в ленточных борах Алтая. Л., 2020. 169 с. Текст: непосредственный.
6. Родин С. А. Вопросы лесовосстановления и лесоразведения // Проблемы воспроизводства лесов в Российской Федерации. Пушкино : ВНИИЛМ, 2015. С. 200-206.
7. Правила лесовосстановления : Утв. Приказом министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации № 188 от 25.03.2019 г. URL: www.consultant.ru.
8. Васильев О. И. Планирование и организация производства посадочного материала лесных культур с закрытой корневой системой. Л., 2019. - Текст : непосредственный.
9. ООО Тульские машины. Завод дробильного оборудования. URL: https://tulmash.ru/tehnologiches kie-linii/dsc_0403_result/ Текст: электронный.
10. URL: https://earthpapers.net/teoriya-i-praktika-vyraschivaniya-posadochnogo-materiala-s-zakrytoy-kornevoy-sistemoy-dlya-lesovosstanovleniya. Текст: электронный.
11. ООО СтройМеханика. Оборудование для работы с сыпучими материалами. URL: https://www. stroymehanika.ru. Текст: электронный.
12. ООО P&B Machine. Оборудование для производства пеллет и топливных брикетов. URL: https://budetteplo.ru/izmelchitel-torfa/. Текст: электронный.
REFERENSCES
1. Red'ko G. I. Lindulovskaya listvennichnaya roshcha. L., 1984. 94 s.
2. Zalesov S. V., Lobanov A. N., Luganskiy N. A. Rost i proizvoditel'nost' sosnyakov iskusstvennogo i estestvennogo proiskhozhdeniya. Ekaterinburg : Ural. gos. lesotekhn. un-t, 2002. 112 s.
3. Osipenko A. E., Zalesov S. V. Zapas iskusstven-nykh sosnovykh drevostoyev v aridnykh usloviyakh // Sovremennyye problemy nauki i obrazovaniya. 2015.
4. Zalesov S. V., Luganskiy N. A. Povysheniye produktivnosti sosnovykh lesov Urala. Ekaterinburg : Ural. gos. lesotekhn. un-t, 2002. 331 s.
5. Gof A. A., Zalesov S. V. Effektivnost' sozdaniya lesnykh kul'tur sosny obyknovennoy seyantsami s zakrytoy kornevoy sistemoy v lentochnykh borakh Altaya. L., 2020. 169 s. Tekst: neposredstvennyy.
6. Rodin S. A. Voprosy lesovosstanovleniya i lesorazvedeniya // Problemy vosproizvodstva lesov v Rossiyskoy Federatsii. Pushkino : VNIILM, 2015. S. 200-206.
7. Pravila lesovosstanovleniya : Utv. Prikazom mini-sterstva prirodnykh resursov i ekologii Rossiyskoy Federatsii № 188 ot 25.03.2019 g. URL: www. consultant.ru.
8. Vasil'yev O. I. Planirovaniye i organizatsiya proizvodstva posadochnogo materiala lesnykh kul'tur s zakrytoy kornevoy sistemoy. L., 2019. Tekst : neposredst vennyy.
9. OOO Tul'skiye mashiny. Zavod drobil'nogo oborudovaniya. URL: https://tulmash.ru/tehnologiches-kie-linii/dsc_0403_result/ Tekst: elektronnyy.
10. URL: https://earthpapers.net/teoriya-i-praktika-vyraschivaniya-posadochnogo-materiala-s-zakrytoy-kornevoy-sistemoy-dlya-lesovosstanovleniya. Tekst: elektronnyy.
11. OOO StroyMekhanika. Oborudovaniye dlya raboty s sypuchimi materialami. URL: https://www. stroymehanika.ru. Tekst: elektronnyy.
12. OOO P&B Machine. Oborudovanie dlya proizvodstva pellet i toplivnykh briketov. URL: https://budetteplo.ru/izmelchitel-torfa/. Tekst: ehlektron-nyi.
© Авдеева Е. В., Ровных Н. Л., Шпагин Д. Е., 2023
Поступила в редакцию 10.12.2023 Принята к печати 14.07.2023
