Совершенствование технологий и создание новых средств механизации для ухода в лесных питомниках и культурах

11

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ И СОЗДАНИЕ НОВЫХ СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ ДЛЯ УХОДА В ЛЕСНЫХ ПИТОМНИКАХ И КУЛЬТУРАХ

Специальности: 05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

06.03.01 - «Лесные культуры, селекция, семеноводство»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

КОТОВ Алексей Александрович

МОСКВА 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шимкович Дмитрий Григорьевич;

доктор технических наук, старший научный сотрудник Сидоров Сергей Алексеевич;

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Цыплаков Владимир Владимирович

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства (ФГУ «ВНИИЛМ»)

Защита диссертации состоится «23» октября 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.146.03 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса» по адресу: 141005, г. Мытищи-5 Московская обл., 1-я Институтская,1, МГУЛ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса».

Автореферат разослан « » 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Рыбин Б.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Для воспроизводства лесов России в настоящее время намечены лесовосстановительные мероприятия на площади 6,9 млн. га, лесоразведение - на 160 тыс. га. Планируется ежегодное выращивание лесопосадочного материала в количестве, в среднем 1370 млн. шт.

Процессы производства посадочного материала высокозатратны, длительны и отличаются многоступенчатостью технологических циклов. Большая доля затрат приходится на борьбу с сорной растительностью. Так, в лесных питомниках открытого грунта они могут достигать 70...80 % от общих затрат. Аналогичная ситуация имеет место и в лесных культурах, закладываемых и выращиваемых на вырубках и гарях с относительно богатыми почвами.

Для сохранения и выращивания ценных деревьев и кустарников необходимо проводить удаление сорных и менее ценных растений на разных этапах лесовыращивания и на различных объектах, например, в питомниках, на лесосеменных участках, плантациях, в культурах, молодняках естественного происхождения и др.

Для борьбы с сорняками применяют механический и химический методы. Первый является наиболее распространенным как в сельском, так и лесном хозяйстве. Недостатками его являются низкая эффективность, высокая кратность проведения уходов. Второй имеет следующие преимущества: простота применения, доступность, высокая эффективность, быстрота действия и экономичность. Химический метод позволяет поднять производительность труда при проведении таких работ в несколько (а иногда - и в десятки) раз. Но применение для борьбы с сорняками традиционных технологий химического метода (опрыскивание) имеет ряд недостатков. Например, потери рабочего раствора при опрыскивании полевых культур существующей техникой составляют 50...80 % от дозы внесения. Поэтому способ опрыскивания и применяемая техника не совершенны, учитывая высокую стоимость теряемых препаратов и вред, наносимый ими окружающей среде.

Известен способ обработки растений плантицидами, заключающийся в нанесении препарата на растения при их контакте (соприкосновении) с рабочим органом машины, имеющим пористые эластичные элементы, пропитанные рабочим раствором. Способ получил название контактного.

По сравнению с опрыскиванием этот способ исключает потери препарата за счет сноса ветром и выпадения на почву, значительно сокращает нормы расхода и практически не допускает загрязнение окружающей среды. При использовании гербицидов и арборицидов сплошного действия он позволяет обеспечить селективное воздействие на культуры механически, путем нанесения раствора на нежелательную растительность при минимальном контакте с культурами. Особенно эффективен этот способ в условиях неравномерной засоренности, а также в редких древостоях, где сплошное опрыскивание приводит к чрезмерному загрязнению почвы.

Но до настоящего времени контактный способ в нашей стране не нашел применения. Основной причиной этого является отсутствие технологических регламентов и машин для применения гербицидов и арборицидов в лесных насаждениях этим способом.

Отсутствие в лесной отрасли специализированной техники по применению химических средств защиты растений приводит к неоправданным потерям лесохозяйственной продукции. Так реальные показатели сохранности лесокультур составляют 40...60%, а во многих случаях - 20...30%. Велика доля ручного труда (до 70% всего рабочего времени), особенно в процессе ухода за посевами и посадками в посевных и школьных отделениях лесных питомников. Значительная часть выращиваемого посадочного материала гибнет при ручных прополках (в лесопитомниках до 60%), а также от вредителей и сорняков в лесокультурах и плантациях.

Поэтому появилась необходимость выполнения исследований по совершенствованию технологий и созданию экологически безопасных машин для ухода за сеянцами, саженцами и лесными культурами.

Целью исследования является совершенствование технологий на основе создания новых средств механизации для химического ухода в лесных питомниках и культурах.

Объектами исследований являются сорная травянистая и нежелательная древесная и кустарниковая растительность в лесных питомниках и культурах; опытные образцы машин для химического ухода контактным способом; сеянцы, саженцы и лесные культуры.

Предметом исследований являются свойства сорняков; процессы экологически безопасной работы машин и их рабочих органов; состояние сеянцев, саженцев и лесных культур.

Методы исследования. Применялись теоретические и экспериментальные методы исследований. В основу теоретических исследований положены математическое моделирование процессов деформации изгиба сорных растений при контакте с рабочим органом, возможных потерь препарата при питании рабочего органа, переносе контактором рабочей жидкости и смачивании растений, распределения плантицида в материале контактора, нанесения рабочего раствора на сорняки, методы теоретической механики, сопротивления материалов, гидравлики, дифференциального и интегрального исчисления. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных и полевых условиях с использованием методов активного эксперимента с применением стандартных приемов вариационной статистики. Обработка результатов исследований производилась с использованием стандартных и специально разработанных автором программ на базе компьютерной техники.

Научная новизна работы. Решена проблема, направленная на совершенствование технологий выращивания посадочного материала и лесных культур с использованием новых средств механизации. На основе применения нового экологически безопасного контактного способа нанесения плантицида на сорные растения реализованы технологии химического ухода в лесных питомниках и культурах. При решении проблемы механизации химического ухода за сеянцами, саженцами и культурами использован системный подход, обеспечивающий эффективность борьбы с сорняками и экологическую безопасность работы машин.

Разработаны математические модели, описывающие механизмы экологически безопасной работы машин, питания контактора, вытеснения раствора плантицида из материала покрытия рабочего органа за счет упругих свойств обрабатываемых растений, позволившие определить кинематические параметры рабочего органа, возможные потери при питании и работе контактора и технологические режимы работы машин для обеспечения индивидуального нанесения препарата на сорные растения в зависимости от их биометрических и физико-механических свойств.

Получены экспериментальные зависимости, с помощью которых определены рациональные параметры рабочих органов и режимы работы машин, исключающие потери рабочей жидкости из материала покрытия контактора и с обработанных плантицидом сорных растений. Экспериментально получено выражение, определяющее количество нанесенного на сорняки рабочего раствора в зависимости от физико-механических свойств растений и материала покрытия контактора и режимов обработки.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена достаточным объемом лабораторных и полевых исследований, производственной проверкой параметров разработанных рабочих органов машин, а также достаточно высокой сходимостью теоретических и экспериментальных данных.

Практическая значимость. По результатам исследований получены исходные данные для проектирования рабочих органов и машин для химического ухода в лесных питомниках и культурах. Разработаны методики расчета основных конструктивных и кинематических параметров, технологических режимов работы машин для ухода за выращиваемым посадочным материалом и лесными культурами. Разработаны конструкции машин для химического ухода в лесных питомниках и культурах.

Реализация результатов исследований. Машина для химического ухода за лесными культурами прошла производственную проверку в Аксеновском и Огудневском лесничествах Щелковского учебно-опытного лесхоза МГУЛ и внедрена в Огудневском лесничестве этого лесхоза. Машина для химухода в лесных питомниках прошла производственную проверку в Сергиево-Посадском питомнике одноименного опытно-механизированного лесхоза, по результатам приемочных испытаний в ФГУ «Центрлес» рекомендована к выпуску опытной партии. Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы в утвержденных лесотехнических требованиях на машины, в их конструкциях и использованы Центральным опытно-конструкторским бюро лесохозяйственного машиностроения при изготовлении опытных образцов.

Результаты исследований нашли применение в учебном процессе МГУ леса и других вузах лесного профиля при изучении дисциплин «Машины и механизмы», «Система машин в лесном хозяйстве».

Исследования и разработка машин для химического ухода контактным способом в лесных питомниках и культурах выполнены в соответствии с тематическим планом работы на 1986-1990 г.г. по теме № 182 с ВНИИХлесхозом Госкомлеса СССР (номер госрегистрации 01860100499), на 1986-1990 г.г. по госбюджетной теме № 24 (номер госрегистрации 01860042800), на 2004-2005 г.г. по теме № 23я с ФГУП «ЦОКБлесхозмаш».

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Новые технологии и средства механизации для химического ухода в лесных питомниках и культурах.

2. Математические модели экологически чистого процесса нанесения плантицидов на сорную растительность.

3. Результаты исследований физико-механических свойств нежелательной древесно-кустарниковой растительности, влияющих на механизм нанесения рабочей жидкости.

4. Результаты исследований свойств материала покрытия контактора.

5. Методы и результаты исследований по обоснованию рациональных параметров рабочих органов, сочетающих эффективность борьбы с сорняками и экологическую безопасность работы машин.

6. Результаты экспериментальных исследований эффективности изреживания машинами сорной травянистой и нежелательной древесно-кустарниковой растительности при уходе за выращиваемым посадочным материалом и лесными культурами на вырубке.

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и одобрены: на международной научно-практической конференции (г. Воронеж, 1998), на VII международной школе-семинаре по экологии (г. Пущино, 2008), на Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов (г. Мытищи, 1991), на Второй Всесоюзной научно-технической конференции (г. Мытищи, 1991), на Всесоюзной научной конференции, посвященной 280-летию со дня рождения М.В. Ломоносова (г. Архангельск, 1991), на Всесоюзной научно-технической конференции (г. Мытищи, 1997), на конференции молодых ученых Западного отделения ВАСХНИЛ (г. Гомель, 1990), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ (1988-2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ общим объемом 53 п.л., включая монографию, справочник, три учебных пособия, патент на изобретение, в том числе 8 работ - в изданиях, рекомендованных ВАК. Лично автором опубликованы 23 работы общим объемом 34 п.л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, библиографического списка (231 наименование) и 9 приложений. Работа содержит 292 страницы основного текста, иллюстрирована 125 рисунками и 30 таблицами.

Выражаю искреннюю благодарность своему наставнику доктору технических наук, профессору Винокурову Василию Николаевичу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

лесной питомник механизация растительность

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы их цель и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние проблемы и задачи исследований» проведен анализ методов и средств механизации, применяемых для борьбы с сорняками в сельском и лесном хозяйстве; рассмотрены лесоводственная эффективность химического ухода за лесными культурами и влияние гербицидов и арборицидов на лесную среду.

Большой вклад в создание лесохозяйственных машин внесли М.П. Албяков, И.М. Зима, Т.Т. Малюгин, Г.А. Ларюхин, П.С. Нартов, И.М. Бартенев, В.Н. Винокуров, Л.Н. Прохоров, В.И. Казаков, Ф.В. Пошарников, Л.Т. Свиридов, В.В. Цыплаков и др.

Закономерности действия плантицидов на сорные растения исследовали И.Н. Велецкий, И.В. Шутов, Л.Ю. Ключников, С.А. Гордейченко и др.

Вопросам теории и обоснованию параметров и режимов работы машин для химухода за культурами посвящены многие работы. Наиболее полными и законченными являются исследования Ж.С. Бекбанова, Г.В. Каблукова, К.К. Кияткина, А.К. Лысова, В.В. Ченцова и др.

Вопросы повышения качества дозирования рабочей жидкости рассмотрены в работах А.С. Крянева, С.М. Львова, М.В. Шишовой, Ю.М. Ямникова и других авторов.

Теория и конструирование распыливающего оборудования представлены также достаточно широко в работах В.А. Абубикерова, В.А. Богданова, Н.Д. Баздырева, А.С. Степанова, М.И. Штеренталя и др. Однако, эти исследования выполнены для опрыскивания.

Работы С.Ф. Прокопенко, А.Д. Аскерова, Л.И. Харебова посвящены изучению качества нанесения гербицида на растения при опрыскивании в сельском хозяйстве. Несмотря на глубину и масштабность исследований, выполненных в проанализированных работах, их невозможно полностью использовать для создания машин контактного типа, так как существенно отличаются вид сорняков и способ нанесения препарата на сорную растительность.

Особенно актуальными являются работы, посвященные исследованию потерь препарата при опрыскивании. Этим вопросом занимались А.В. Воеводин, Н.С. Лепехин, В.С. Ронкин.

Исследования по созданию машин для защиты растений в лесном хозяйстве проводили В.П. Бельков, А.М. Бортник, А.В. Данилин, Ю.И. Полупарнев и другие.

Исследованиями по созданию машин контактного типа для ухода в основном за сельскохозяйственными культурами занимались в нашей стране А.В. Белов, И.В. Шершабов, Л.К. Яценко, за рубежом - L.D. Gaultney, H.A. Holt, W.F. Rewelle, W.V. Welker и другие. При создании лесных культур на вырубках применение машины с рабочими органами неприводного типа неприемлемо из-за специфики условий работы (наличие порубочных остатков, пней, древесной поросли). В этом случае практически невозможно обеспечить безотказную работу машины, так как возможны значительные колебания ее тягового сопротивления. Таким образом, проведенный анализ показал, что ни одна приведенная конструкция контактной машины или ее рабочего органа не удовлетворяет условиям создания лесных культур на вырубках, поэтому необходима разработка специальной машины. Ее рабочий орган должен быть выполнен в виде вращающегося барабана с пористым покрытием, окружная скорость которого кинематически связана со скоростью движения агрегата, что обеспечивает наиболее качественное нанесение плантицида на сорные растения.

В качестве объекта исследования при выращивании посадочного материала принята машина с рабочим органом неприводного типа.

Изучение состояния проблемы показало, что при контактном способе количество препарата, наносимого индивидуально на растения, зависит от физико-механических свойств обрабатываемой растительности и материала покрытия контактора. Исследованиям физико-механических свойств нежелательной древесной растительности 10...15-летнего возраста посвящены работы Е.В. Даденко, А.В. Камашева, В.П. Мореева. Свойства зрелой древесины изучены А.М. Боровиковым, Б.Н. Уголевым и др. Однако их исследования не соответствуют условиям проведения лесоводственного ухода.

Сопротивление изгибу древесных растений зависит от формы их стволиков. Закономерности формы древесного ствола хвойных и лиственных пород рассмотрены в работах Г.Ф. Морозова, М.Е. Ткаченко, Ю.С. Лебедева, В.Ф. Лебкова и других авторов.

Анализ вышеприведенных исследований показывает невозможность применения в полной мере их результатов при разработке конструкций машин для ухода за выращиваемым посадочным материалом и лесными культурами контактным способом. Это объясняется различием видового состава, а, следовательно, и свойств растений, произрастающих на сельскохозяйственных полях, в лесных питомниках и на вырубках. Кроме этого упругие свойства растений в большинстве случаев изучались в отрыве от реальных условий произрастания, т.е. не учитывалась механическая прочность связи корней с почвой.

В приведенных работах свойства материала покрытия контактора изучены разрозненно и неполно. Так в исследованиях L.D. Gaultney не выявлены зависимости потерь жидкости от влажности материала, его толщины и времени воздействия сил. Кроме этого силы инерции (центробежное ускорение) имитировались здесь для условий работы машины в сельском хозяйстве, т.е. были значительно ниже ударных сил, возникающих на нераскорчеванных вырубках.

На основе анализа состояния проблемы определены следующие задачи исследований:

1. Исследовать и обосновать экологически чистый процесс нанесения плантицидов на сорную растительность.

2. Провести исследования физико-механических свойств сорной травянистой и нежелательной древесно-кустарниковой растительности, влияющих на механизм нанесения рабочей жидкости.

3. Исследовать и обосновать тип материала контактора с учетом требований, предъявляемых к нему в условиях питомника и вырубки.

4. Разработать математические модели рабочих процессов машин для химухода контактным способом.

5. Обосновать технологические схемы машин для реализации контактного способа химухода в лесных питомниках и культурах, их основные параметры и режимы работы.

6. Исследовать эффективность подавления машинами сорной растительности при уходе за выращиваемым посадочным материалом и лесными культурами и провести экономическую оценку машин.

Во второй главе «Теоретические исследования физико-механических свойств сорной растительности» проанализированы силы реакции растений, возникающие при контактной обработке, и силы, действующие на частицу препарата на растении. Также выполнено исследование изгиба стволиков нежелательной древесной растительности и их колебаний, возникающих после прохода агрегата.

При контактном способе на норму расхода и равномерность нанесения препарата по площади существенное влияние оказывают физико-механические свойства сорных растений (жесткость), их густота и неравномерность расположения по площади. При указанном способе теряет свою определенность и сам термин «равномерность нанесения препарата по площади».

Рассмотрена система сил, действующих на частицу препарата, нанесенного на растение. Здесь возможны два случая. Первый: частица находится на отклоненном рабочим органом машины растении сверху (рис. 1, а), второй: препарат находится снизу (рис. 1, б). Составив уравнения равновесия системы сил в проекциях на оси координат с учетом принципа Даламбера и преобразовав их, получаем, что в первом случае для исключения сброса частицы препарата с растения в первый момент времени должны выполняться условия:

(1)

где dF_сц - сила сцепления частицы препарата с поверхностью растения, Н; dF_ин - сила инерции, Н; dF_ин = dm·a; dG - сила тяжести частицы, Н; dG = dm·g; dN - нормальная.реакция поверхности опоры, Н; dТ - сила трения скольжения, Н; dТ = f·dN; dm - масса частицы, кг; а - ускорение частицы, м/с²; g - ускорение свободного падения, м/с²; f - коэффициент трения скольжения; И - угол отклонения стволика от вертикали, град.

11

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для исключения сброса частицы во втором случае должны выполняться условия (при ):

(2)

Анализируя неравенства (1) и (2), видим, что первый случай нанесения препарата предпочтительнее; здесь в первый момент времени сила инерции играет положительную роль.

Качеством нанесения препарата и его потерями можно управлять, в частности, путем изменения силы инерции, т.е. ускорения:



где x - отклонение точки растения в горизонтальной плоскости, м; t - время, с.

Сила инерции зависит от упругих свойств стволика, точки расположения частицы препарата на растении и величины его отклонения в горизонтальной плоскости.

Исследована экологическая безопасность нанесения препарата на растение. Для этого рассмотрим первое выражение в системе уравнений (2).

Заменим , ,

где - сила поверхностного натяжения, Н; у - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; r_с - радиус сегмента жидкости на растении, м; - краевой угол смачивания, град. В нашем случае , .

Тогда радиус сегмента жидкости, который может удержаться на растении, будет равен

. (3)

Выполнено исследование по определению ускорения произвольной точки растения. Уравнение движения получаем, используя уравнение Лагранжа II рода. Колебания стволиков и ветвей растений требуют применения теории колебаний стержней переменного поперечного сечения. Дифференциальное уравнение движения такого стержня при колебаниях имеет вид

.

где E - модуль упругости, Па; J - момент инерции сечения, м⁴; S - площадь сечения, м²; с - плотность, кг/м³. J и S - функции от х.

Круговую частоту колебаний определяем, применяя метод Релея-Ритца к задаче о колебаниях стержня. В общем виде частоту произвольной формы колебаний конического стержня определяем по формуле:

,

где a_n - постоянная, зависящая от формы стержня и формы колебаний; r - радиус инерции поперечного сечения, расположенного в месте жесткой заделки, м; H - длина конического стержня (стволика), м; с - плотность растущей древесины, кг/м³.

Для основной формы колебаний в этом случае получаем:

, (4)

где r - радиус основания конуса, м.

Запишем уравнение затухающих колебаний точки стволика:

, (5)

где А₀ - начальное отклонение, м; д - логарифмический декремент колебания: .

Продифференцируем дважды уравнение (5)

,

.

Для определения ускорений необходимо знать начальное отклонение вершины стволика A₀, частоту колебаний f(щ), зависящую от биометрических показателей растений, модуля упругости стволиков и их плотности, и логарифмический декремент колебания д.

Рис. 2 К расчету изгиба растения: 1 - корневая система, 2 - стволик

Задачи изгиба стволиков при контактной обработке являются геометрически и физически нелинейными. Уравнения равновесия для прямолинейного в естественном состоянии стержня в простейших задачах, когда осевая линия стержня - плоская кривая, а нагрузки - «мертвые», можно получить традиционным методом.

Для учета механической связи корней растения с почвой, обеспечивающей упругую заделку, моделируем растение в виде двух частей: корней и стволика, и определяем их жесткость раздельно (рис. 2). Полное отклонение x произвольной точки растения складывается в этом случае из двух частей x₁ и x₂: где x₁ - отклонение за счет деформации корневой части, x₂ - прогиб стволика при условии абсолютно жесткой заделки:

. (6)

Из условия равновесия

,

где F - изгибающая сила, Н; h - высота приложения нагрузки, м; C - жесткость корневой системы, Н·м/рад; ц - угол поворота оси стволика, рад.

Принимаем . Тогда

(7)

или .

Принимаем, что стволики древесной растительности имеют форму, близкую к конусу, имеющему малый диаметр основания и большую длину, и нагружены сосредоточенной силой. Делаем допущение, что они испытывают в этом случае чистый изгиб. Также считаем, что жесткость корневой системы и модуль упругости растущего стволика постоянны.

Используя интеграл Мора, запишем выражение для небольших прогибов консольно заделанного конуса, имитирующего древесное растение, при условии абсолютно жесткой заделки. Приняв пределы интегрирования от 0 до h, получим

(8)

Тогда выражение (6) предстанет в следующем виде:

. (9)

Проанализируем вклад, вносимый каждым слагаемым в полное отклонение, в зависимости от высоты приложения нагрузки:

. (10)

При отношение . Следовательно, x₂ << x₁. Поэтому при малой высоте приложения силы с достаточной для практики точностью можно принять, что x₁ = x, так как полное отклонение точки стволика в этом случае будет определяться в основном только деформацией корней и почвы (деформацией заделки). Тогда выражение (7) предстанет следующим образом:

.

При отношение . Следовательно, x₂ >> x₁. Поэтому при большой высоте приложения силы с достаточной для практики точностью можно принять, что x₂ = x, так как полное отклонение точки стволика в этом случае будет определяться в основном только деформацией самого стволика. В этом случае модуль упругости растущего стволика можно приближенно находить по формуле:

.

Для учета жесткости корневой системы применим приведенный модуль упругости стволика , преобразовав выражение (9) к виду:

, (11)

где - коэффициент приведения.

С учетом (10) , а .

Очевидно, что приведенный модуль упругости не будет оставаться постоянным по длине стволика, а будет зависеть от высоты приложения нагрузки.



Рис. 3 К расчету изгиба стволика

Если известно уравнение упругой линии x = f(z), то определение прогиба не представляет затруднений. Используем дифференциальное уравнение изогнутой оси балки. Получаем два дифференциальных уравнения:

для участка I (рис. 3)

, (12)

для участка II (13)

Уравнение (12) решаем на ЭВМ численным методом Рунге-Кутта по специально составленной программе. Используем начальные условия: при z₁ = 0 = 0 и = 0. Уравнение (13) решаем непосредственным интегрированием: , .

Используя граничные условия, находим постоянные интегрирования C₁ и C₂. При z₂ = z₁ = h из условия непрерывности и гладкости упругой линии выполняется равенство . Тогда . Аналогично в этой же точке x₂₍₂₎ = x₂₍₁₎. Тогда . В результате получаем систему уравнений

.

В третьей главе «Экспериментальные исследования физико-механических свойств сорной растительности» описана методика исследований свойств нежелательной древесной растительности на вырубках и представлены их результаты.

Для исследования биометрических и упругих свойств выбраны четыре породы (осина, береза, ольха и ива), которые наиболее распространены на вырубках средней полосы. Изучение упругих свойств выполнено с учетом механической прочности связи стволиков с почвой, т.е. непосредственно на вырубке. При этом проведен трехфакторный эксперимент по В-плану, где выходной величиной была нормальная составляющая изгибающей силы F_n, Н, а варьируемыми факторами - диаметр у корневой шейки d_о, мм, высота приложения нагрузки h, см, и величина отклонения стволика в горизонтальной плоскости x, см. Факторы изменялись на трех уровнях в следующих пределах: d_о - от 5 до 15 мм, h - от 30 до 70 см, x - от 10 до 50 см.

Затем определялось контактное давление p_ij, Па, стволика на рабочий орган по формуле:

,

где F_nij - нормальная составляющая изгибающей силы j-го растения в i-й момент времени, H; S_кij - условная мгновенная площадь контакта j-го растения с рабочим органом в i-й момент времени, м². Принимаем S_кij = d²_ij.

Отдельно поставлена серия опытов по определению модуля упругости некоторых пород: осины, ольхи, березы, рябины и лещины. Для этого к стволикам прикладывались усилия на высотах с шагом 0,2 м и фиксировались отклонения в точках приложения сил. Затем с учетом формы стволика по формулам (6) и (8) определялся модуль упругости.

Уравнение регрессии в натуральных обозначениях факторов после отбрасывания незначимых коэффициентов, в частности для березы, предстанет следующим образом:

F_n = 6,8596 - 0,7642 - 0,1620 h + 0,1307 + 0,0020 -

- 0,0017 - 0,0166 h + 0,0010 hх.

Установлено, что сопротивление стволика березы изгибу больше, чем у других пород, максимальное его значение в принятом диапазоне варьирования факторов достигает 15 Н. При анализе уравнений регрессии выявлено, что F_n резко возрастает с увеличением диаметра у корневой шейки и уменьшается при увеличении высоты приложения нагрузки, имеет максимум внутри диапазона варьирования x. С увеличением h абсцисса максимума отклика смещается вправо. Максимальное контактное давление со стороны стволика при d₀ = 15 мм, h = 0,3 м и х = 0,28 м соответственно для осины, ольхи, березы и ивы равно 56,29; 71,97; 92,27 и 62,74 кПа.

Исследование формы стволиков растений показало, что для H < 2 м с достаточной для практических расчетов точностью (достоверность R² ? 0,95) можно ограничиться линейной зависимостью:

,

где - диаметр основания конуса, H_к - высота конуса, H_к = z при d_i = 0.

Введены два коэффициента k₁ и k₂, характеризующие форму стволика.

Здесь - коэффициент диаметра, - коэффициент высоты.

С учетом этих коэффициентов уравнение диаметра стволика предстанет в виде:

, (14)

где - диаметр стволика у корневой шейки, H - высота стволика

Вычисленные по приведенным выше формулам значения коэффициентов k₁ и k₂ для березы соответственно равны 0,923 и 1,087, для осины - 0,947 и 1,131.



Рис. 4 Определение отклонения стволика

Для исключения потерь препарата с обработанных им растений, проведены исследования их затухающих колебаний. Целью этих исследований было определение ускорений вершин растений после прохода агрегата при обработке, а также установление зависимости между размером частицы плантицида, способной удержаться на растении, и величиной ускорения. Стволик растения отклонялся на некоторую величину и после освобождения совершал колебания. Этот процесс снимался на цифровую фотокамеру с функциями видеозаписи. Для определения влияния сопротивления воздуха растение затем освобождалось от листьев, и запись повторялась при тех же условиях (рис. 4).

Затем видеозаписи на компьютере с помощью программы HP Photosmart Premier разделялись последовательно на кадры с временным шагом 0,04 с. По указанным кадрам в соответствии с координатными осями фиксировалось отклонение вершины растения и соответствующий ему момент времени от начала колебаний.

Величины скорости и ускорения произвольной точки растения вычислялись приближенно по формулам:

, , ,

где V_ср. - средняя скорость точки, м/с, на промежутке времени Дt, с; ДS - пройденный точкой путь за этот промежуток времени, м; a_ср. - среднее ускорение на этом промежутке, м/с²; ДV - изменение скорости за время Дt; V_{ср. i}, V_{ср. i+1}, - средние скорости на двух соседних промежутках времени.

На рис. 5 показан один из графиков колебаний.

Рис. 5 Колебания осины (d₀ = 8 мм, H = 0,90 м): 1 - с листьями, 2 - без листьев

Установлено, что скорость и ускорение у растений с листьями существенно ниже (в 2...5 раз), чем у растений без листьев. Период колебаний T варьирует для растений без листьев от 0,2 до 0,84 с, для растений с листьями - от 0,56 до 1,72 с. Причем продолжительность первого периода колебаний значительно больше, особенно для растений с листьями. Это связано с сопротивлением воздуха, снижающим скорость вершины растения при колебаниях. При снижении скорости колебаний до некоторого критического значения период дальше не уменьшается и становится постоянным (T_const) для каждого растения. Как показали исследования, период колебаний возрастает с увеличением высоты растений, т.е. в целом подтверждается формула (4).

Нами введены два коэффициента, учитывающие сопротивление воздуха: k_кр. - коэффициент облиственности для растений с листьями (учитывает сопротивление кроны) и k_ств. - коэффициент сопротивления стволика для растений без листьев (учитывает сопротивление стволика с ветвями). Эти коэффициенты определяем по формулам:

, ,

где T_{max л.} и T_{max ств.} - соответственно максимальные периоды колебаний растения с листьями и без листьев.

Экспериментами установлено, что большее влияние на увеличение периода, а значит, на уменьшение скорости колебаний оказывает первый коэффициент - k_кр.. Он изменяется от 1,94 до 3,33, второй коэффициент - k_ств. - от 1,00 до 1,38.

С учетом этих коэффициентов период T будет равен

,

а выражение частоты колебаний f₁ при использовании также коэффициентов формы k₁ и k₂ предстанет в виде

. (15)

Для определения приведенных модулей упругости древесной растительности использована формула (11) с учетом коэффициентов формы. Полученные по этой формуле значения показаны частично на рис. 6.



Рис. 6 Зависимость приведенного модуля упругости стволика от высоты приложения нагрузки: 1 - береза, 2 - лещина, 3 - ольха, 4 - осина, 5 - рябина

Для сравнения точности определения приведенных модулей упругости они вычислены для березы также численным методом на ЭВМ по формуле (12). В этом случае форма стволика описывалась полиномом 3-й степени вида , приведенным к выражению

, (16)

где , , , .

Результаты анализа полученных данных соответствуют сделанному ранее выводу о том, что приведенный модуль упругости изменяется по длине стволика; самый высокий модуль из исследованных пород имеет береза, самый низкий - рябина.

Применение разных видов аппроксимации формы стволика приводит примерно к одинаковым результатам. Это подтверждает правильность сделанного выбора: моделирование стволика в виде конуса при своей простоте является вполне приемлемым для практических расчетов.

Выполнено исследование влияния на полное отклонение произвольной точки растения жесткости корневой системы и стволика в зависимости от высоты приложения нагрузки. Из графика (рис. 7), построенного на примере березы, видим, что при минимальной высоте приложения изгибающей силы наибольший вклад в отклонение стволика вносит жесткость корневой системы, а при максимальной - жесткость стволика, т.е. подтверждается формула (10). На основании этого свойства возможно приближенное определение модуля упругости стволика: при большой высоте приложения изгибающей силы он равен примерно приведенному модулю упругости.

Рис. 7 Влияние заделки на прогиб стволика березы (d₀ =25,4 мм Н =3,92 м):

Определение приведенного модуля упругости также выполнено на основании формулы (4) с учетом коэффициентов формы. Частота колебаний f₁ и радиус основания конуса r рассчитывались соответственно по формулам f₁ = 1/T_const, r = d₀ /2. Величины модулей упругости при больших отклонениях стволиков соответствуют результатам, полученным ранее методами сопротивления материалов.

Логарифмический декремент колебания определен на основе экспериментальных данных. В первый период колебаний он изменяется у растений с листьями в пределах 1,14...2,14; у растений без листьев - 0,38...0,76.

Теоретические графики ускорений для разных растений приведены на рис. 8. Максимальное ускорение в начальный момент времени варьирует в пределах 16...55 м/с².

Определение потерь проведено на основании формулы (3). При изменении ускорения от g до максимального м/с² при радиус частицы препарата, способной удержаться на растении, уменьшается от 3,9 до 1,77 мм, а масса частицы - от 124,9 до 11,6 мг. Начиная с момента времени t = 0,17 с после начала колебаний, с растений с листьями потерь жидкости происходить не будет.

Рис. 8 График изменения ускорения вершины растений с листьями: 1 - осина (Н = 0,55 м), 2 - осина (Н = 0,90 м), 3 - береза (Н = 0,54 м), 4 - береза (Н = 1,00 м), 5 - береза (Н = 1,75 м)

Исходя из нормы расхода рабочей жидкости, определена толщина наносимой на растения пленки рабочего раствора и рассчитано соответствующее этой толщине ускорение, способное оторвать частицу препарата от растения. Установлено, что для самых неблагоприятных условий обработки (a = 435 м/с² для растений без листьев) радиус сегмента жидкости, который может удержаться на растении, должен быть меньше 0,7 мм.

В четвертой главе «Теоретические исследования физико-механических свойств материала покрытия контактора» проанализированы процесс переноса жидкости в покрытии контактора, механизм её вытеснения из покрытия рабочего органа, изучено влияние свойств материала и рабочей жидкости, а также параметров рабочего органа на возможные потери препарата.

Исследование механизма вытеснения жидкости из покрытия выполнено при допущении, что количество вытесняемой жидкости пропорционально относительному сжатию материала под действием упругих сил наклоняемых растений. Установлена зависимость начальной влажности W_н от относительного сжатия е_с, при котором начинается процесс вытеснения жидкости из материала покрытия контактора

,

где з_о и з_з - соответственно открытая и закрытая пористость материала;

k = з_з / з_о.

Также получена зависимость объема вытесняемой жидкости с единицы площади покрытия при контакте рабочего органа в i-й момент времени с j-м растением от физико-механических свойств растительности и материала покрытия, начальной влажности и высоты обработки:

, (17)

где д_н - начальная толщина материала, м; F_nij - нормальная составляющая изгибающей силы, H; H_j - высота растения, м; h_ij - высота контакта, м; Е (у_с) - модуль упругости материала покрытия при сжатии, Па.

Изменяя показатели, входящие в это выражение, можно устанавливать количество вытесненной из материала покрытия жидкости.

Рис. 9 К расчету сил, действующих на столбик жидкости в капилляре

При работе машины на вырубке на частицу препарата, находящегося в покрытии барабана, в общем случае действуют, кроме сил реакции растений, ударные нагрузки о препятствия, вибрация, передаваемая на машину с трактора, дисбаланс барабана, центробежная сила, силы тяжести, Кориолиса, поверхностного натяжения и сопротивления движению (трение). Моделируя материал покрытия пучком изолированных друг от друга радиально расположенных цилиндрических капилляров, рассмотрены силы в единичном заполненном жидкостью капилляре, помещенном в поле центробежных сил, имитирующих остальные (рис. 9).

Перемещение жидкости в отдельном капилляре можно описать уравнением динамики тела переменной массы:

,

или, делая подстановку , , уравнением:

. (18)

Здесь F - сумма сил, действующих на отсек жидкости в капилляре, Н; m - масса отсека жидкости в капилляре, кг; V - скорость движения жидкости вдоль оси капилляра, м/с; с_ж - плотность жидкости, кг/м³; r - радиус капилляра, м; R - расстояние от оси барабана до ближайшего к оси центра мениска жидкости, м.

Предполагая столбик жидкости в капилляре неразрывным, течение - ламинарным, а поступление воздуха в освобождающийся от жидкости объем извне, а также пренебрегая кориолисовыми силами (они направлены по касательной к поверхности барабана и поэтому не влияют на потери препарата), можно выделить следующие силы, действующие на отсек жидкости в капилляре:

1. Сила тяжести жидкости

, где .

2. Центробежная сила

3. Сила поверхностного натяжения .

4. Сила сопротивления движению (трение)

Здесь ц - угол поворота капилляра, град; - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; и - краевой угол смачивания, град; м - динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с.

Сумма сил, действующих на столбик жидкости в капилляре, в общем случае будет равна

Подставив в это выражение значения слагаемых, получим неоднородное нелинейное дифференциальное уравнение 2-го порядка, которое решаем относительно t на ЭВМ по составленной нами программе методом Рунге-Кутта:

(19)

Начальными условиями при решении являются: и при t = 0.

При решении уравнения (19) определен максимальный радиус эквивалентного капилляра, заполненного полностью жидкостью, в зависимости от кинематических параметров и свойств жидкости; а также получено выражение для определения критической угловой скорости, являющейся ограничением при обосновании кинематических параметров рабочего органа с учетом исключения потерь препарата:

(20)

В пятой главе «Экспериментальные исследования физико-механических свойств материала покрытия контактора» представлены методики лабораторных исследований пористости материала, потерь препарата из него, механизма вытеснения жидкости из покрытия при его деформации сжатия, прочностных свойств материала и их результаты.

Исследования пористости материала и потерь жидкости из него выполнялись на экспериментальной установке, оборудованной на базе токарного станка BK-4. Потери жидкости определялись весовым способом на весах ВА-200. Для исследования потерь жидкости проведен четырехфакторный эксперимент, целью которого было получение зависимости количества потерянного из единицы площади материала покрытия препарата ДV_S, мл/м², от варьируемых факторов в виде многочлена второго порядка. Варьируемыми факторами были вырывающее ускорение а, м/с²; продолжительность действия сил инерции t, с; начальная влажность материала W, %; толщина покрытия д, м. Диапазон варьирования факторов: а - 20...194 м/с², t - 30...150 с, W - 30...70 %, д - 4...12 мм. На основании анализа состояния проблемы для эксперимента были отобраны войлок технический ТФ 4, ткань техническая капроновая ЛТК-60-4000 и пенополиуретан листовой гладкий.

Для окончательного выбора материала проведены исследования на разрыв на экстензометре при различной влажности.

При исследовании пористости материала установлено, что полное водопоглощение ТФ 4, ЛТК-60-4000 и пенополиуретана составляет соответственно 95, 91 и 87 %. Получены зависимости максимального радиуса r_max эквивалентного капилляра, заполненного полностью жидкостью, и доли свободного от жидкости капиллярного пространства з от кинематических параметров.

Разработана номограмма (рис. 10), позволяющая определять кинематические параметры рабочего органа при условии исключения потерь рабочей жидкости в зависимости от влажности W и толщины покрытия д.

В результате изучения потерь жидкости из материала покрытия получены уравнения регрессии (в натуральных обозначениях факторов):

Рис. 10 Номограмма для определения параметров покрытия рабочего органа

для войлока ТФ4

= 1,79150 + 0,00337 X₁+ 0,01189 Х₂ - 0,05364 Х₃ + 0,00374 Х₄ -

- 0,00001 - 0,00004 + 0,00051 - 0,00001 X₁ Х₂ +

+ 0,00011 X₁ Х₃ + 0,00030 X₁ Х₄ - 0,00032 X₃ Х₄,

для ЛТК-60-4000

= - 0,84735 + 0,00708 X₁ + 0,01049 Х₂ + 0,06357 Х₃ + 0,02168 Х₄ -

- 0,00004 - 0,00002 + 0,00047 - 0,00001 X₁Х₂ +

+ 0,00009 X₁ Х₃ + 0,00012 X₁ Х₄ - 0,00007 X₂ Х₃ - 0,00101 X₃ Х₄,

для пенополиуретана

= - 0,88173 + 0,02768 X₁ + 0,00440 Х₂ + 0,04521 Х₃ + 0,06387 Х₄ -

- 0,00007 - 0,00012 - 0,00377 - 0,00001 X₁ Х₂ -

- 0,00013 X₁ Х₃ - 0,00004 X₂ Х₃ + 0,00007 X₂ Х₄ - 0,00102 X₃ Х₄.

Здесь , X₁ - ускорение, X₂ - продолжительность вращения образца, X₃ - начальная влажность, X₄ - толщина образца.

Результаты опытов показывают, что с увеличением значений всех факторов потери жидкости растут; особенно сильное влияние в принятом диапазоне варьирования на потери оказывает ускорение. Проведенный анализ теоретических и экспериментальных исследований показал их хорошую сходимость.

Исследование прочностных свойств материалов выявило 50...2400-кратное превышение предела прочности на разрыв у_р у ЛТК-60-4000 по сравнению с другими материалами, у последних к тому же установлена зависимость у_р от влажности. На основании всех критериев в качестве материала покрытия выбран ЛТК-60-4000. Проведенные с ним дальнейшие исследования механизма вытеснения жидкости позволили установить зависимость относительного сжатия е_с от сжимающего напряжения у_с (кПа)

и зависимость объема вытесненной с единицы площади материала жидкости от W_н, д_н и у_с:

.

Установлена также зависимость между конечной W_к и начальной W_н влажностью материала при протаскивании через него стволика:

, (21)

Теоретические и экспериментальные результаты исследований вытеснения жидкости имеют хорошую сходимость.

Выражение (21) позволяет, зная контактное давление сорняков, определять необходимую начальную влажность покрытия в зависимости от заданной нормы расхода, а на основании влажности - по разработанной номограмме - кинематические параметры рабочего органа, которые обеспечивают экологически безопасную работу машины.

В шестой главе «Теоретическое обоснование параметров и режимов работы машин для химического ухода контактным способом в лесных питомниках и культурах» разработана модель экологически безопасного процесса работы машины, обоснованы способ и параметры питания контактора рабочим раствором, исследован механизм нанесения плантицида на сорные растения, обоснованы гидравлические и кинематические параметры рабочего органа с учетом исключения потерь препарата.

Для исследования потерь препарата при контактном способе внесения, определения доли его полезного использования предложена математическая модель взаимодействия машины с окружающей средой (рис. 11). Теоретически потери плантицида могут осуществляться в почву или атмосферу. При установившемся режиме работы, используя метод источника и стока, считаем, что расход жидкости q₁, истекающей из форсунок, капельниц или фитилей, равен сумме расходов жидкости, поступающей в ткань растений q₅, почвенные горизонты q₆ и атмосферу q₇, т.е.

Рис. 11 Схема взаимодействия машины с объектами окружающей среды: 1 - распылитель, капельница или фитиль; 2 - рабочая поверхность контактора; 3 - поверхность растений; 4 - поверхность почвы; 5 - ткань растений; 6 - почвенные горизонты; 7 - атмосфера

q₁ = q₅ + q₆ + q₇.

Введя безразмерный коэффициент характеризующий интенсивность потока в долях единицы, где i - номер источника; j - номер стока; q_i - расход препарата через i-й узел; q_ij - расход препарата, поступающего из i-го узла, в j-м узле, получены уравнения, определяющие цепочки движения препарата в каждый сток:

q₅ = q₁ (л₁₃· л₃₅ + л₁₂ · л₂₃ · л₃₅); (22)

q₆ = q₁ (л₁₄ · л₄₆ + л₁₂ · л₂₄· л₄₆ + л₁₃ · л₃₄ · л₄₆ + л₁₂ · л₂₃ · л₃₄ · л₄₆);

q₇ = q₁ (л₁₇ + л₁₂ · л₂₇ + л₁₃ · л₃₇ + л₁₂ · л₂₃ · л₃₇ + л₁₄ · л₄₇ + л₁₂ · л₂₄ · л₄₇ +

+ л₁₃ · л₃₄ · л₄₇ + л₁₂ · л₂₃ · л₃₄ · л₄₇).

Для повышения доли полезного использования пестицида расход q₅ должен максимально приближаться к q₁, следовательно,

q₅ > q₁ или

Тогда в уравнении (22)

л₁₃· л₃₅ + л₁₂ · л₂₃ · л₃₅ > 1.

Изменяя параметры рабочих органов машины, можно управлять коэффициентами л ₁₂, л ₁₃ и л ₂₃ и частично л ₃₅, а, следовательно, экологической чистотой ее работы. Задаваясь q₁, можно в каждом конкретном случае прогнозировать уровень загрязнения окружающей среды: почвы и воздуха. Таким образом, предложенная модель взаимодействия машины с окружающей средой позволяет оценивать существующие и разрабатываемые средства механизации с позиции экологической чистоты их работы.

...