CC BY
5
Рабочее оборудование для удаления пней и эффективность его применения
В.А. Рытиков, С. В. Египко, Н. П. Долматов Донской государственный аграрный университет, г. Новочеркасск
Аннотация: В статье проведен анализ использования различных машин и оборудования для выполнения культуртехнических работ в сельском и лесном хозяйстве, в мелиоративном и дорожном строительстве. Предложена новая конструкция сменного рабочего оборудования для удаления одиночных пней, оценена экономическая эффективность применения данного оборудования в технологическом комплексе машин, с учетом стоимости производства работ и сроков их проведения.
Ключевые слова: технология корчевания; одиночный пень; раскалыватель пней, цилиндрический ножевой рабочий орган.
Расчистка площадей от деревьев и кустарников - технологическая операция, встречающаяся в различных сферах производственной деятельности человека. В сельском и лесном хозяйстве, в мелиоративном и дорожном строительстве в процессе производства культуртехнических работ требуется выполнение операций по удалению древесно-кустарниковой растительности, очистке площадей от выкорчеванной древесины. Наиболее энергоёмким при этом [1] является этап удаления (корчевания) крупных одиночных пней.
Механизация работ по удалению пней с использованием специальной техники является одним из факторов снижения энергозатрат. Машины с рабочим оборудованием как пассивного, так и активного действия нашли широкое применение [2-4] в рамках выполнения данных видов работ.
Сплошная обработка обычно производится с использованием машин с рабочим оборудованием пассивного действия, при выполнении масштабных работ. Данный способ достаточно распространен, несмотря на необходимость применения мощной энергонасыщенной техники большие трудозатраты [5] и высокую себестоимость производства работ. Рабочие органы активного действия, с ротационным оборудованием различного типа,
в последнее время становятся все более и более распространенными. Причем областью их применения является как сплошная обработка с использованием машин непрерывного действия [6, 7] так и точечное удаление одиночных пней большого диаметра [8] оборудованием циклического действия. В основном это техника импортного производства.
В качестве примера можно привести рабочее оборудование FERRI ROTOR (рис. 1). Здесь следует отметить два варианта исполнения рабочего органа. Первый представляет собой венец с крыльями и центрирующим элементом, выполняющий полное измельчение пня в щепу. Второй -цилиндрическая фреза [9], выполняющая обрезку корневой системы пня и его последующее извлечение на поверхность.
Рис. 1 - Корчеватель пней [9] FERRI ROTOR SPEEDY 80-100
Кроме оборудования фирмы FERRI на рынке представлено достаточно большое количество аналогичной техники других производителей (рис. 2). Оборудование с горизонтальным и вертикальным ротационным рабочим органом производит мульчирование измельчая пень. При этом нужно
отметить что конструктивные особенности оборудования позволяют производить его внедрение на небольшую глубину, оставляя практически всю корневую систему в нетронутом состоянии, что является существенным недостатком при производстве работ. Рост побегов может через некоторое время нивелировать весь результат от выполнения культуртехнических работ.
Рис. 2 - Фрезерная машина [9].
Нами предложена конструкция, схожая с описанной фрезой фирмы БЕЯМ, но предполагающая иной принцип выполнения работ. Конструкция состоит из винта, раскалывателя и цилиндрического ножа (рис. 3). Винт рабочего оборудования выполняет функции центратора с приводом от редуктора через шлицевое соединение.
При вращении самонарезающий винт внедряется в пень, при этом осуществляется вертикальное воздействие на раскалыватель и цилиндрический нож. Первый - вдавливается в пень, раскалывая его в процессе движения на четыре части. Второй - уходит вниз синхронно с раскалывателем, внедряется в грунт и обрезает корневую систему пня. Движение ножа происходит исключительно в вертикальной плоскости, от вращения его предохраняет жесткая связь с раскалывателем.
М Инженерный вестник Дона, №1 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2023/8177
Рис. 3 - Цилиндрический раскалыватель [10] пней.
После отработки полного цикла оборудование извлекается, удерживаемый винтом пень извлекается на поверхность. При необходимости возможно извлекать оборудование, совмещая с наклоном, для разрыва центрального стержневого корня.
Дальнейшее извлечение пня из цилиндра ножа осуществляется обратным вращением винта.
Сопротивление оборудования производству работ состоит из сопротивления вдавливанию цилиндрического ножа и сопротивления
резанию боковых корней пня:
р = р + р
1 СОПР 1 В + 1 Р ,
Сопротивление внедрению можно найти аналогично сопротивлению труб продавливанию [11] при бестраншейной прокладке трубопроводов:
Рв = дс1 + [2 + (1 + 4 )р + Мт ]Ь/,
где дс - удельное сопротивление цилиндрического ножа: I - периметр ножа, м;
- коэффициент бокового давления грунта; Мг - масса 1 м. цилиндрического ножа, кг;
и
Р =
- глубина вдавливания ножа, м;
/ - коэффициент трения ножа о грунт; р - вертикальное давление на 1 м длины ножа:
ря2к
1 Ъ
31КР
"3
где р - плотность грунта, т/м ;
Бк - диаметр цилиндрического ножа, м; - коэффициент крепости грунта. Приближенное значение усилия вдавливанию ножа в грунт:
Р = 1жБкЬ,
где I - сила трения грунта по поверхности ножа; Бк - диаметр цилиндрического ножа, м; Ь - глубина внедрения ножа, м.
Сила перерезания корней:
р = р + р
1 Р р Л + р ДРПС ,
где рл - сила резания волокон древесины лезвием ножа, Н;
Р^пс - сила, действующая на перерезанные волокна корня, Н.
рл = 1 к
где [ав ] - предел прочности корня при сжатии поперёк волокон, МПа; 5 - радиус затупления лезвия, мм; В - ширина реза, мм; /л - коэффициент трения. Силу, действующую на перерезанные и смятые волокна корня можно разделить:
р = р + Р
р ДРПС р ДРП + Р ДРС
где рдрп = Кдрп ■ 81П(А + <Р + е)
рдрс = кдрс ■ +
РДРП и РДРС - равнодействующие нормальных сил, возникающих в результате давления перерезанных и смятых волокон, а также сил трения.
При сравнении экономической эффективности производства работ с использованием предложенного оборудования, необходимо учитывать изменение технологии производства работ. Предложенное оборудование способно произвести погрузку выкорчеванного пня в транспортное средство. Кроме того, более аккуратное извлечение пня, требует меньших затрат по дальнейшей рекультивации поверхности (табл. 1).
Таблица № 1
Технология производства операций по корчеванию одиночных пней
Марка Объем Нормы Требуется всего Стоимость,
№ Наименование операции машины работ (обосн-е) руб.
маш/см. чел/дн. маш/см. всего
базовая Корчеватель 600пн. 40 пн/час 1,86 1,86 9840 18302
1 Извлечение пня технология К-2А
предложенная Раскалыватель 600пн. 40 пн/час 1,86 1,86 6048 11249
технологии
базовая Погрузчик 600пн. 300 0,25 0,25 7608 1902
2 Погрузка пня технология ЛТ-65Б пн/час
предложенная Раскалыватель
технологии
базовая Самосвал 600пн. 50 пн/час 1,5 1,5 5400 8100
3 Транспортировка технология КрАЗ-65033
предложенная Самосвал 600пн. 50 пн/час 1,5 1,5 5400 8100
технологии КрАЗ-65033
Рекультивация Самосвал 300м3 8 м3/ч 4,69 4,69 5400 25326
4 воронок базовая КрАЗ-65033, 300м3 50м3/ч
технология Бульдозер ТС-10 0,75 0,75 6000 4500
Самосвал 200м3 8 м3/ч 3,12 3,12 5400 16875
предложенная технологии КрАЗ-65033, Бульдозер ТС-10 200м3 50м3/ч 0,5 0,5 6000 3000
базовая Огнемет на 600пн. 500м3/см 0,8 0,8 1656 1325
5 Утилизация технология тракторе
пней предложенная технологии Огнемет на тракторе 600пн. 500м3/см 0,8 0,8 1656 1325
Разравнивание базовая Бульдозер 2400м2 2000 м2/ч 0,15 0,15 6000 900
6 грунта после технология ТС-10
утилизации предложенная технологии Бульдозер ТС-10 2400м2 2000 м2/ч 0,15 0,15 6000 900
По существующей технологии = 60355 руб.
По предложенной технологии = 41449 руб
М Инженерный вестник Дона, №1 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2023/8177
Определимся с базовой машиной для предложенного оборудования и технологическим комплексом для сравнения. В качестве базы для сравнения нами принят комплекс машин, состоящий из корчевателя К-2А и погрузчика ЛТ-65Б. Первый производит извлечение пня, его транспортирование на небольшое расстояние, второй - погрузку выкорчеванной древесины в транспортные средства. В качестве базовой машины для предлагаемого оборудования взят экскаватор ЭО-3322Б. Технология работ представлена шестью операциями, каждая из которых потребует разного времени на их выполнение и разных комплектов техники, что приведет к различным по себестоимости вариантам производства работ и укажет на экономическую эффективность применения указанных вариантов (рис. 4).
5 0.1= О! Ш ¡5|| о, . | Ё 1 1И г О С '5 т. = а. о; I х X С С I т Ь. Ш £ О | В 1. Л1 М О о. £ СР '5 X а. Ш X х = с £ X га Ь_ Щ £ □ ш и Ъс га т о о. = С Р К а X а а. а ш 1 1 & £ К а X а а. а ш 1 1 & £ а X □ о. а ш 1 з X Ё 1 £ а: □ X □ о. 1» 1 = 11 Ё Я И £ £ ¥ О ,,, X С" £ & а т >-ПГ Ф 5 = й 1 Ё I || £ £ с 1}
Смени 1 смена 2 сглена 3 сглена 4 смена 5 сглена 6 с\1Ена 7смяна
1 е" ю Е. Я а а. с £3 В а 1ВООО
17000
16000
15000
14000 1 14153
15000
12000 ИЗ»! 3 320]
11000
1КСО
9000
ВООО
7000 еив ИБ5
6000 5ЭБ5 ЗЭБ5 егэз
5000 '--Ч 1-
Е е 59Б5
4000 4ЭБЗ 4ЭБЗ Е-5Ег-
5000
2000
1000
0
СМЕНИ 1 сглена 2 сглена 3 сглена 4 см в на 5 сглена 6 сченэ 7:глена
х: =Г ^ 1 а) а Е 1 Ы 5- X пГ § Е X & 1- т ш X ¡'5 11 Ё 1 * а. II .ц о £ 5 5 I м = Р ш X ¡'5 И 1! * а II ■и о & 5 | 2 Р" а: а X а а. а ш 1 X Ё £ □ X а а. а ш 1 X Ё £ ¥ а т. 0 о. 1 = 11 Ё Я И £ 1 0] 1 □ ж а ° га 1 \-О X о. 5-о а. ш ь [Г ш 11 га Ш X I «ь т й Г й- 5 гг 1
Рис. 4. - Диаграмма посменной стоимости производства работ.
М Инженерный вестник Дона, №1 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2023/8177
Необходимо отметить, что анализ, проведенный по ограниченному объему производства работ, показывает не только снижение стоимости производства работ предложенным оборудованием в составе технологического комплекса машин как в целом, так и по отдельным операциям, но и говорит о возможности сокращения сроков проведения работ, что в отдельных случаях может являться большим стимулом внедрения машины в производство, чем экономическая составляющая.
Литература
1. Египко, С. В. Технология корчевания одиночных пней комбинированным рабочим органом: специальность 06.01.02 "Мелиорация, рекультивация и охрана земель": диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Новочеркасск, 2007. - 212 с.
2. Grigorev Igor, Kunickaya Ol'ga, Prosuzhih Alexey, Kruchinin Igor, Shakirzyanov Dmitry, Shvetsova Viktoria, Markov Oleg, Egipko Sergey. Efficiency improvement of forest machinery exploitation // Diagnostyka. - 2020. -Vol. 21. - No 2. - pp. 95-109. DOI: diagnostyka.net.pl/Efficiency-improvement-of-forest-machinery-exploitation,122797,0,2.html.
3. Шегельман, И. Р., Ивашнев, М. В., Будник, П. В. Повышение эффективности удаления древесно-кустарниковой растительности при непрерывном движении лесной машины // Инженерный вестник Дона. -2014. - № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2524/.
4. Bukhtoyarov Leonid, Kunitskaya Ol'ga, Urazova Alina, Perfiliev Pavel, Druzyanova Varvara, Egipko Sergey, Burgonutdinov Albert, Tikhonov Evgeniy. Substantiating optimum parameters and efficiency of rotary brush cutters // Journal of Applied Engineering Science. - 2022. - Vol. 20. - No 3. - pp. 788-797. - DOI: researchgate.net/publication/362195106_SUBSTANTIATING_OPTIMUM_PAR AMETERS AND EFFICIENCY OF ROTARY BRUSH CUTTERS.
5. Египко, С. В., Долматов, Н. П. Экономическая эффективность применения технологии корчевания одиночных пней комбинированным способом // Вестник Южно-Российского государственного технического университета (НПИ). Серия: Социально-экономические науки. - 2020. - № 2.
- С. 40-46. - DOI: vestnik.npi-tu.ru/index.php/vestnikSRSTU/article/view/515.
6. Ковалек, Н. С., Ивашнев, М. В. Состояние и тенденции развития оборудования для непрерывного срезания древесно-кустарниковой растительности // Инженерный вестник Дона. - 2016. - № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2016/3687/.
7. Ковалек, Н. С., Ивашнев, М. В. Современные направления исследований в области непрерывного срезания деревьев и кустов // Инженерный вестник Дона. - 2016. - № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2016/3718.
8. Максимов, В. П., Египко, С. В., Долматов, Н. П. Фреза для удаления пней при проведении работ в лесном деле, ландшафтном, дорожном и мелиоративном строительстве // Мелиорация и водное хозяйство: Материалы Всероссийской научно-практической конференции (Шумаковские чтения), посвящённой 95-летию со дня рождения профессора В.С. Лапшенкова, Новочеркасск, 25-30 сентября 2020 года. - Новочеркасск: ООО "Лик", 2020.
- С. 208-215.
9. Каталог продукции Ferri Rotor Speedy. Измельчители пней, двухрядные, посадочные машины и др. URL: ferrirotor.nt-rt.ru.
10. Угаров, И. А., Сычева, Ю. А., Египко С. В., Долматов, Н. П. Устройство для раскалывания и последующего удаления одиночных пней // Мелиорация как драйвер модернизации АПК в условиях изменения климата: Материалы III Международной научно-практической интернет-конференции, Новочеркасск, 26-28 апреля 2022 года. - Новочеркасск: ООО "Лик", 2022. -С. 255-259.
М Инженерный вестник Дона, №1 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2023/8177
11. Белецкий, Б. Ф. Технология и механизация строительного производства: учебник / 4-е изд., стер. - Санкт-Петербург: Лань, 2022. - 752 с.
References
1. Egipko, S. V. Texnologiya korchevaniya odinochny'x pnej kombinirovannym rabochim organom [Technology of uprooting single stumps with combined working equipment]. Novocherkassk: NGMA 2007. 212 p.
2. Grigorev Igor, Kunickaya Ol'ga, Prosuzhih Alexey, Kruchinin Igor, Shakirzyanov Dmitry, Shvetsova Viktoria, Markov Oleg, Egipko Sergey. Diagnostyka. 2020. Vol. 21. No 2. pp. 95-109.
3. ShegeFman, I. R., Ivashnev M. V., Budnik P. V. Inzhenernyj vestnik Dona. 2014. № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/ n3y2014/2524.
4. Bukhtoyarov Leonid, Kunitskaya Ol'ga, Urazova Alina, Perfiliev Pavel, Druzyanova Varvara, Egipko Sergey, Burgonutdinov Albert, Tikhonov Evgeniy. Journal of Applied Engineering Science. 2022. Vol. 20. No 3. pp. 788-797.
5. Egipko, S. V., Dolmatov, N. P. Vestnik Yuzhno-Rossijskogo gosudarstvennogo texnicheskogo universiteta. 2020. № 2. pp. 40-46.
6. Kovalek, N. S., Ivashnev, M. V. Inzhenernyj vestnik Dona. 2016. № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2016/3687.
7. Kovalek, N. S., Ivashnev, M. V. Inzhenernyj vestnik Dona. 2016. № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2016/3718.
8. Maksimov, V. P., Egipko, S. V., Dolmatov, N. P. Melioraciya i vodnoe xozyajstvo. Novocherkassk: OOO "Lik", 2020. pp. 208-215.
9. Katalog produkcii Ferri Rotor Speedy. Izmel'chiteli pnej, dvuhryadnye, posadochnye mashiny i dr. [Ferri Rotor Speedy product catalog. Stump grinders, two-row, planting machines, etc]. URL: ferrirotor.nt-rt.ru.
10. Ugarov, I. A., Sy'cheva, Yu. A., Egipko S. V., Dolmatov, N. P. Melioraciya kak drajver modernizacii APK v usloviyax izmeneniya klimata. Novocherkassk: OOO "Lik", 2022. pp. 255-259.
M Инженерный вестник Дона, №1 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2023/8177
ll.Beleczkij, B. F. Texnologiya i mexanizaciya stroitefnogo proizvodstva [Technology and mechanization of construction production]. Sankt-Peterburg. Lan, 2022. 752 p.
