Техника и технология подрезки корней сеянцев в лесных питомниках устройством с активным подрезающим элементом Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 631*348

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПОДРЕЗКИ КОРНЕЙ СЕЯНЦЕВ В ЛЕСНЫХ ПИТОМНИКАХ УСТРОЙСТВОМ С АКТИВНЫМ ПОДРЕЗАЮЩИМ

ЭЛЕМЕНТОМ

В.Н. Холопов1, В.Н. Невзоров2, П.В. Бырдин3

1 Сибирский государственный технологический университет, Красноярск, Россия 2 Красноярский государственный аграрный университет, Красноярск, Россия 3 Братский государственный университет, Братск, Россия

В статье представлена актуальность метода подготовки сеянцев древесных пород для пересадки, заключающегося в подрезки корней с целью формирования у них укрупненной мочковатой корневой системы. Приведено существующее в настоящее время в России оборудование для подрезки корней в питомниках и указано, что наиболее перспективными техническими средствами, применяемыми для подрезки корней, являются корнеподрезчики с активными рабочими органами, так как они обеспечивают более высокое качество подрезки корней. Представлено разработанное и запатентованное устройство для подрезания корней с активным подрезающим элементом и сформулирована цель исследований состоящая в обосновании кинематических и производственно-технологических параметров устройства для подрезки корней сеянцев. Рассмотрен процесс подрезания корней сеянцев древесных пород заключающийся в одновременном преодолении сил сопротивления резанию основного вертикально расположенного корня сеянца и сил сопротивления резанию со стороны почвы. Определено условие подрезки корней одного ряда сеянцев, описывающееся зависимостью усилия подрезки от силы сопротивления перерезанию корня сеянца и силы сопротивления резанию почвы . Сила сопротивления перерезанию корня сеянца определена как сумма силы сопротивления корня и силы сопротивления внедрения клина ножа в корень, а сила сопротивления резанию почвы представлена как сумма силы сопротивления смятию почвы ножом и силы сопротивления от прилипания почвы к ножу. Произведен теоретический анализ процесса импульсного срезания единичного корня в земле, в результате которого получены выражения позволяющие смоделировать процесс импульсного подрезания и определить силу подрезки корней сеянцев древесных пород в лесных механизированных питомниках при их выкопке. В заключении сделан вывод о том, что внедрение способа подрезки корней сеянцев в лесных питомниках устройством с активным подрезающим элементом уменьшает повреждаемость корней сеянцев, ускоряет формирование у них мочковатой корневой системы и, как следствие, обеспечивает лучшую приживаемость посадочного материала при реализации искусственного лесовосстановления.

Ключевые слова: сеянец, подрезка корней, активный подрезающий элемент, корнеподрезчик.

The article presents the relevance of the method of preparation of seedlings for transplanting trees, consisting in cutting the roots to form their enlarged fibrous root system. Powered exists in the present time in Russia the equipment for cutting roots in nurseries and indicated that the most promising technical means used to trim the roots are root pruning machine with active working bodies, as they provide a higher quality trim the roots. The developed and patented a device for cutting the roots of the active element and the prune is the objective of the study was the justification of kinematic and production and technological parameters of the device for cutting the roots of the seedlings. The process of trimming the roots of seedlings of trees comprising the same time overcoming the forces of resistance to cutting a vertical main root seedling and cutting resistance forces from the soil. The condition of a number of cutting the roots of the seedlings, describes the dependence of cutting force by resistance forces and seedling root cutting force of cutting resistance of the soil . The strength of the root cutting seedling resistance is defined as the sum of the forces of resistance and root resistance force the introduction of the wedge to the root of the blade, and the force of cutting resistance of the soil is represented as the sum of the resistance force collapse of the soil knife and the forces of resistance of the soil from sticking to the knife. Theoretical analysis of pulsed cutting unit root in the ground, a result of which the expression can simulate the process of trimming the pulse and determine the strength of cutting the roots of seedlings of trees in forest nurseries in their mechanized digging. Finally it concluded that the introduction of ways to trim the roots of seedlings in forest nurseries device clipped to the active element reduces defect root seedlings, which accelerates the formation of the fibrous root system and, consequently, provides the best survival rate of planting material in the implementation of artificial reforestation.

Keywords: seedling, cutting roots, spurs active element, scorer roots

ВВЕДЕНИЕ

Качество посадочного материала играет значительную роль при лесокультурном производстве. Суровые климатические условия Сибири обуславливают необходимость разработки региональных стандартов по агротехнике выращивания посадочного материала. В питомниках Сибири выращивают в

основном сеянцы хвойных пород: сосны обыкновенной, кедра сибирского, лиственницы сибирской, Гме-лина, ели сибирской (Матвеева и др., 1996, 2015).

Подрезка корней сеянцев проводится для формирования у них укороченной мочковатой корневой системы, а также с целью получения оптимального соотношения надземной и подземной фитомассы сеянцев (Малаховец, 2012). Так, по данным С.А. Роди-

Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 5 - 6, 2015

на (2002) у четырехлетних сеянцев ели при подрезке корней в трехлетнем возрасте масса корневой системы приближается к половине надземной массы, в то время как у неподрезанных сеянцев масса надземной части превышает массу корней в 4-5 раз.

Подрезка корней является одним из основных методов подготовки сеянцев, выращенных в питомниках, для пересадки в открытый грунт. Данный технологический процесс должен обеспечить качественное перерезание корней с ровным срезом без их смятия, разрывов, размочаливания. Особенно опасно для дальнейшей жизнедеятельности растений создание при подрезке корней сдвига почвы, что приводит к повреждению всей корневой системы, а также созданию эффекта сгруживания почвы, то есть накопления почвы в виде движущегося бурта, приводящего к гибели сеянцев.

В настоящее время в большинстве питомников России применяется корнеподрезчик КН-1,2А, который агрегатируется с тракторами МТЗ-80 и предназначен для подрезки стержневых и боковых корней сеянцев хвойных и лиственных пород. Его отличительной особенностью является колебательное движение скобы во время работы. Основные узлы кор-неподрезчика: рама с навеской, рычаги, кронштейн, подрезающая скоба с горизонтальным ножом, вибратор, стойки с опорными колесами, черенковые ножи, щелеобразователи. Глубина подрезания корнепо-дрезчика составляет 8-16 см, ширина захвата - 120125 см, масса - 220 кг, рабочая скорость - 3-4 км/ч.

Наиболее перспективными техническими средствами, применяемыми для подрезки корней, являются корнеподрезчики с активными рабочими органами, так как они обеспечивают более высокое качество подрезки корней.

Цель исследований. С целью обоснования кинематических и производственно-технологических параметров разработанного авторами устройства для подрезки корней сеянцев в лесных питомниках был проведен теоретический анализ процесса импульсного срезания единичного корня в земле. Для дальнейшего применения нового корнеподрезчика сделан технико-экономический анализ эффективности его внедрения и применения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Авторами статьи была разработана серия кор-неподрезчиков (1, 2), характерным представителем которой является устройство для подрезания корней (рисунок 1).

Изобретение относится к лесохозяйственному машиностроению. Цель изобретения - снижение тягового усилия и повышение качества подрезки корней.

Устройство для подрезания корней содержит поперечину 1, жестко закрепленную на раме трактора 2. На поперечине 1 установлен гидроцилиндр 3, шарнирно соединенный своим штоком с приводным валом 4, который установлен в двух подшипниках 5, жестко закрепленных на раме трактора 2. Приводной

вал 4 посредством муфт 6 и кривошипов 7 соединен через дисковые опоры, обеспечивающие одну степень подвижности, с втулками 8, в которых установлены вращающиеся полые стойки 9. Внутри одной из полых стоек 9 размещен торсионный вал 10, который в верхней части связан с механизмом 11 закрутки вала 10, обеспечивающий натяжение подрезающего элемента 12. Торсионный вал 10 связан с подрезающим элементом 12 шарнирно при помощи коленчатого рычага 13. В нижней части стоек 9 установлен дополнительный рабочий орган 14, вращающийся посредством стоек 9, причем торсионный вал 10 связан со стойками 9 через подшипники 15. Внутри второй стойки на подшипниках 16 установлен приводной вал 17, который связан с подрезающим элементом 12 шарнирно через рычаг 18. В верхней части приводного вала 17 размещен гидромотор 19, на валу которого жестко закреплена ведущая звездочка 20 цепной передачи 21, осуществляющий передачу вращающего момента через промежуточный блок, звездочек 22 и звездочек 23 на стойки 9.

Рисунок 1 - Схема устройства для подрезки корней

Устройство для подрезания корней работает следующим образом. Механизм закрутки 11 через торсионный вал 10 производит натяжение подрезающего элемента 12, причем его длина подбирается таким образом, чтобы при необходимой закрутке вала 10 рычаг 13 своим коленом при работе расположился за стойкой 9 в пространстве, образованном дополнительным рабочим органом 14. Привод на подрезающий элемент 12 осуществляется путем подачи вращающего момента от привода 19 через приводной вал 17. Колено рычага 18 подбирается таким образом, чтобы при вращении приводного вала 17 задавалась необходимая амплитуда колебаний подрезающего элемента 12, обеспечивающая его внедрение в почву по ходу движения с минимальным тяговым усилием трактора и выполнялось требование по качеству подрезки корней саженцев. Одновременно через звездочки цепной передачи 21 вращающий момент передает-

ся стойкам и дополнительному рабочему органу 14. с Гидроцилиндром 3 с помощью приводного вала 4, муфт 6 и кривошипа 7 стойки 9 вместе с подрезающим элементом 12 и дополнительным рабочим органом 14 опускаются в почву на необходимую глубину. Уменьшение сопротивления движению стоек 10 и 9 создается за счет дополнительного рабочего органа 14, который рыхлит и удаляет почву перед стойками, а подрезающий элемент 12, имеющий заданную амплитуду и частоту колебаний, внедряясь, разрезает почву и подрезает корни на заданной по технологии глубине. Глубина погружения режущего инструмента в почву регулируется поворотом кривошипа 7 с фиксацией в установленном положении муфтой 6.

Технико-экономические преимущества устройства для подрезания корней заключаются в том, что стойки заглубляются в землю по щели, проделанной режущим инструментом, что значительно снижает энергетические затраты на заглубление. Кроме того, при подрезании корней стойки также движутся по проделанной щели, что резко снижает тяговое усилие на их передвижение под землей. Наличие проделанной щели режущим инструментом снижает тяговое усилие и при работе подрезающего элемента,

так как рычаги двигаются в свободном пространстве, т.е. в проделанной щели. Качество подрезки обеспечивается образованными щелями и возвратно-поступательным движением подрезающего элемента. Таким образом, выполнение щелей гарантирует строго горизонтальное поступательное движение подрезающего элемента.

Процесс подрезания корней сеянцев древесных пород заключается в одновременном преодолении сил сопротивления резанию основного вертикально расположенного корня сеянца и сил сопротивления резанию со стороны почвы (рисунок 2).

Условие подрезки корней одного ряда сеянцев определится как:

р > реет под сопр

I (Р

корня . р почвы сопр сопр

)

(1)

1

где Рсеян

сопр

сопротивление при подрезке корней

одного ряда сеянцев, Н; Р*^™ - сила сопротивления перерезанию корня одного сеянца, Н; П - количество одновременно перерезаемых корней сеянцев, равное

количеству рядков посева в одном поле; -

сила сопротивления резанию почвы, Н.

Рисунок 2 - Расчетная схема сил, действующих на режущую кромку ножа в процессе импульсного подрезания корня

Сила сопротивления перерезанию корня р^Р1^ одного сеянца будет определяться как:

Г}К тт гуклин

где гсопр - сила сопротивления корня, Н; гсопр -сила сопротивления внедрению клина ножа в корень,

изг

р™р™ _ р«^ + р™™ = р™ + рр<я + р™™ + р™ (2) Н; Рк - сила сопротивления корня изгибу, Н; Р£ез

Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 5 - 6, 2015

тт тзклин

сила сопротивления корня резания, Н; гпв - сила сопротивления клина ножа давлению перерезанных

тт тзклин

волокон корня, Н; гсв - сила сопротивления клина ножа давлению смятых волокон корня, Н.

Силу сопротивления изгибу корня сеянца рассмотрим как поперечный изгиб стержня постоянного сечения с защемленными концами. Тогда определим по известному уравнению Эйлера:

п«зг _

гк ~

4ж2EJ

I

к

где Е - модуль упругости материала корня, МПа; J - момент инерции сечения, мм4; I - длина корня, мм.

Силу Р^3 определим как сумму равнодействующих сил Rl и

N = - аскж гВп 2 к

Р£ез = сг™

Мо

Сила сопротивления клина ножа давлению перерезанных волокон корня определится как:

Рпв"=Кв" зш(/?+ *> + *) =

1 1 клин^ , грклин^

-I г

ПВ

1 ПВ

зт(/7 + ф + е)

где - равнодействующая нормальной силы

•ктклин „ грклин тт о

™ пв и касательной силы трения Тпв , Н; р - угол заострения клиновой части ножа, Ф - угол трения почвы о рабочую поверхность ножа, £ - угол между равнодействующей и нормальной силами, °.

Нормальная сила Ыцд" будет равна:

= Ягр-[усм] (10)

-ктклин ПВ

(3)

где - площадь контакта грани клина ножа с пе-

ререзаемым корнем, мм2.

Касательная сила трения Т™1"" ■

1ПВ

грклин __дтклин

1ПВ ~ Мклин ПВ

(11)

(4)

где /Лклин - коэффициент трения грани ножа о перерезаемые волокна корня.

Тогда сила сопротивления клина давлению перерезанных волокон корня с учетом, определиться как:

где R1 и ^ - равнодействующая нормальной силы N1 и касательной силы трения Т- и равнодействующая нормальной силы N2 и касательной силы трения Т2 соответственно.

С учетом равенства равнодействующих Rl и получим:

Р^ =2Я = л14И2+4Т2 (5)

Нормальная сила давления корня на лезвие ножа будет равна:

Рпв" =$гр •\УсыН1 + М 1 -МР + Ф + е) (12)

Применяя аналогичный подход, найдем силу сопротивления клина ножа давлению смятых волокон корня:

Рев" =Ксв" йп((р + £) = = Бгр '[УсмУ ^ + + £)

(13)

где ^2 - коэффициент трения грани ножа о смятые волокна корня.

Тогда, сложив выражения (12) и (13), имеем:

(6)

где СГК - предел прочности материала корня на сжатие поперек волокон в замкнутом пространстве при динамическом нагружении, Мпа; г - радиус затупления лезвия ножа, мм; В - ширина реза, максимальная величина которого при движении ножа поперёк круглого сечения корня равна диаметру перерезаемого корня, мм.

Касательная сила трения корня о лезвие ножа равна:

Т = ^ = (7)

где /И0 - коэффициент трения между древесиной и лезвием ножа при импульсном резании.

Тогда, рР**3 с учетом (6) и (7), будет равна:

■рклин сопр

= Ягр-[усм]

дД + 8И1(/? + (р + £) + + д/1 + ц\ 8т(^> + £)

(14)

Подставив (3), (8) и (14) в уравнение (2) получим зависимость силы сопротивления перерезанию корня одного сеянца:

пкорня сопр

Ак Е]

" и '

■а^гВжф^

. (15)

Определим силу сопротивления резанию почвы:

(19)

(8)

р почвы _ г) смят . -рприл

Гсопр ~ ГП + П

пемят

где Гц - сила сопротивления смятию почвы ножом, Н; - сила сопротивления от прилипа-

ния почвы к ножу, Н; Рц^ - сила сопротивления смятию почвы корнем, Н.

Сила сопротивления смятию почвы ножом будет определяться как сумма сил сопротивления смятию

почвы боковой поверхности ножа Р™в и гранями

Г)

клиновой части ножа Гц

клин\ Г>клин2

и Рп

1П

Сила сопротивления смятию почвы боковой поверхности ножа равна:

рпое=к

П

вт <г>+£,„

I \ТПОв2 . гтшов2

(17)

вШ!® + £„

ппов где ля

равнодействующая нормальной силы ^утов от давления смятых частиц почвы на полотно

71ПОв V

х п между почвой и полотном

ножа, Н.

Определим и Т^ из схемы на рисунке 2,

и подставив в (17), получим силу сопротивления смятию почвы боковой поверхности ножа:

РГ=ч(н-1Г + (18)

где q - нормальное удельное давление, создаваемое частицами почвы при импульсном резании, Мпа;

Н - максимальная глубина резания, м; - длина

режущей части кромки ножа, м; Т - толщина полотна

ножа, м; /¿лов - коэффициент трения полотна ножа о почву.

Аналогично определятся силы сопротивления

смятию почвы гранями клиновой части ножа ,клин2 П .

и Р,

рышх

•л/1+ /4 -8Ш(ф + ф + е^)

(19)

М<Р+£п0в) (20)

Определим силу сопротивления почвы от прилипания к поверхности ножа по известному выражению:

Р1Т=Р0Ков+Р^пов=Рпов{р0+рМ) (21) где ро - удельная касательная сила прилипания при отсутствии нормального давления, Па; N - сила нормального давления, Н; Рпов - видимая площадь контакта, м2; р - коэффициент, выражающий интен-

сивность действия удельных касательных сил прилипания, вызываемых нормальным давлением, 1/м2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные выражения позволили смоделировать процесс импульсного резания и определить силу подрезки корней сеянцев древесных пород в лесных питомниках при их выкопке.

Внедрение способа подрезки корней сеянцев в лесных питомниках устройством с активным подрезающим элементом уменьшает повреждаемость корней, ускоряет формирование мочковатой корневой системы и, как следствие, обеспечивает лучшую приживаемость посадочного материала.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Авторское свидетельство СССР № 1542482, МПК А 01 G 23/00, А 01 В 39/19, Устройство для подрезания корней / В.А. Лабзин, В.Н. Холопов, В.Н. Невзоров, Г.Г. Воро-жейкин.

Авторское свидетельство СССР № 1674707, МПК А 01 В 35/22 Устройство для подрезания корней / В.Н. Холопов, В.Н. Невзоров, В.А. Лабзин и Г.Г. Ворожейкин. Малаховец, П.М. Лесные культуры: учебное пособие / П.М.

Малаховец. - Архангельск: ИПЦ САФУ, 2012. - 222 с. Матвеева, Р.Н. Особенности выращивания посадочного материала и лесных культур хвойных пород в Восточной Сибири / Р.Н. Матвеева, О.Ф. Буторова. - Красноярск: КГТА, 1996. - 200 с. Матвеева, Р.Н. Рекомендации по выращиванию сеянцев хвойных пород в Восточной Сибири / Р.Н. Матвеева, В.Н. Невзоров, Н.П. Братилова, О.Ф. Буторова. - Красноярск: КрасГАУ, 2015. - 56 с. Невзоров, В.Н. Техника и технология выращивания посадочного материала в лесных питомниках Восточной Сибири / В.Н. Невзоров. - Красноярск: КГТА, 1996. -190 с.

Патент РФ № 2101924, МПК А 01 G 23/02, А 01 G 23/09 Импульсное устройство для подрезания корней / В.Н. Холопов, В.А. Лабзин, В.Н. Невзоров.; заявитель и патентообладатель «Сибирский технологический университет». - № 93037087/15; заявл. 19.07.1993; опубл. 27.12.1995.

Патент РФ № 2111647, МПК А 01 G 23/02, А 01 G 23/09 Способ подрезки корней / В.А. Лабзин, В.Н. Невзоров.; заявитель и патентообладатель «Сибирский технологический университет». - № 94037830/13; заявл. 10.10.1994; опубл. 27.05.1998. Родин, С.А. Эколого-ресурсосберегающие технологии и моделирование выращивания культур ели на вырубках зоны хвойно-широколиственных лесов / С.А. Родин. -Пушкино: ВНИИЛМ, 2002. - 240 с.

Поступила в редакцию 27.09.15 Принята к печати 28.12.2015