автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование и разработка технического средства для раскорчевки пней плодовых деревьев

005531280

На правах рукописи

ЕГОРОВ Дмитрий Александрович

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО СРЕДСТВА ДЛЯ РАСКОРЧЕВКИ ПНЕЙ ПЛОДОВЫХ ДЕРЕВЬЕВ

Специальность 05.20.01 -Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 4 И1СЛ 2013

Мичуринск-наукоград РФ. 2013.

005531280

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО МичГАУ) на кафедре «Прикладная механика и конструирование машин».

Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства» (ГНУ ВИМ Россельхозакадемии).

Защита диссертации состоится «10» июля 2013 г. в 14— часов на заседании Диссертационного совета ДМ 220.041.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, корп. 1, ауд. 206 «Зал заседаний диссертационных советов».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МичГАУ.

Объявление о защите и текст автореферата размещены на сайтах ФГБОУ ВПО МичГАУ www.mgau.ru и Министерства образования и науки Российской Федерации vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан «10» июня 2013 г.

Научный руководитель: кандидат технических наук

Завражнов Андрей Анатольевич

Официальные оппоненты: Бычков Валерий Васильевич

доктор технических наук, профессор, ГНУ «Всероссийский селекционно-технологический институт садоводства и питомниководства Россельхозакадемии» / Экспериментально-конструкторский центр механизации трудоемких процессов в садоводстве, заведующий Центром

Тырнов Юрий Алексеевич

доктор технических наук, профессор, ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Россельхозакадемии / Лаборатория № 6 «Использование машинно-тракторных агрегатов», заведующий лабораторией

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технический наук, доцент

В.Ю. Ланцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Отечественное промышленное садоводство в нашей стране является одной из динамически развивающихся отраслей сельского хозяйства. Это подтверждается рядом постановлений правительства РФ и разработкой Федеральных, отраслевых и региональных программ развития садоводства и питомниководства, в основе которых лежат положения Стратегии национальной безопасности РФ до 2020 года, Государственной программы «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы» и других законодательных актов.

Перспективным направлением развития промышленного садоводства является переход на интенсивные технологии, в которых используются слаборослые подвои. Это требует повсеместной закладки новых садов интенсивного типа. В настоящее время в России 90 % всех садов составляют сады экстенсивного типа. Свободных земель под закладку новых садов практически нет, что в свою очередь требует освоения территорий, занятых старыми садовыми насаждениями. Только в Центрально-Черноземном районе сады, вышедшими из оборота занимают более 50 тыс. га. Однако закладка новых садов сдерживается из-за отсутствия эффективных и ресурсосберегающих технических средств для раскорчевки и утилизации старых садовых насаждений.

В настоящее время в отечественном промышленном садоводстве при раскорчевке садовых насаждений используется технология, которая трактуется как сплошная раскорчевка, в основе которой лежит использование различных типов навесных корчевателей, представляющих собой отвал с зубьями на базе гусеничного трактора. Основными технологическими операциями при сплошной раскорчевке являются: свал дерева, перемещение раскорчеванных деревьев на край участка и формирование валков корчевателями-собирателями, сжигание ветвей, сложенных в валок.

В результате данного метода в почве остается значительное количество корней, происходит уплотнение нижних слоев почвы из-за применения тяжелых гусеничных тракторов, при сжигании выгорает гумусовый слой почвы, требуется проведение большого объема культуртехнических работ по восстановлению плодородия почвы.

Современные технологии используют принцип раздельной раскорчевки и утилизации старых садовых насаждений. С точки зрения ресурсосбережения применение данной технологии наиболее рационально. Разделение технологического процесса раскорчевки на отдельные операции (валку дерева без корней и корчевание пней) дает возможность снижения энергоемкости процесса. Но, как показывает практика, данная технология применяется преимущественно за рубежом.

Удаление пней является одной из самых энергоемких и ресурсозатратных технологических операций при корчевании плодового дерева. Специализированных корчевателей пней плодовых деревьев нет, а используемые орудия применимы

преимущественно для лесного хозяйства и сделаны на базе энергонасыщенных

промышленных тракторов.

Поэтому совершенствование технологии раздельной раскорчевки^ путем разработки корчевателя пней плодовых деревьев является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме «Ресурсосбережение и экологическая безопасность индустриальных машинных технологий интенсивного садоводства» (шифр: 2010-1.1-225-051-031, государственный контракт № 02.740.11.0741 от 12.04.2010 г.).

Степень разработанности.

Общим вопросам механизации раскорчевки деревьев и лесосечных работ посвящены работы Аликина Г.П., Винокурова В.Н., Силаева Г.В., Застенского Л С., Бартенева И.М., Баранова A.M., Золотаревского А. А., Драпалюка М.В., Чмелева В.В., Серикова Ю.М., Титаренко Ю.А., и др. Теоретическими и экспериментальные исследования процесса корчевания пней рассмотрены в работах Вавилова A.B., Шекеля А.И., Верховского A.B., Египко C.B., Алябьева А.Ф.,

Лазарева М.С., и др.

Однако следует отметить, что работы, посвященные проблеме корчевания

пней рассматривались преимущественно для лесосек при лесовосстановлении или мелиоративных работах для освоения земель. Разработки по созданию средств механизации для корчевания пней плодовых деревьев, корневая система которых менее мощная по сравнению с деверьями лесных пород, не проводились.

Процессы взаимодействия рабочего органа с почвой с корневыми включениями в почве изучены недостаточно. В основном, влияние корней на процесс корчевания учитывался вероятностными распределениями корней в почве или усредненным показателем, что приводит к получению некорректных результатов при определении энергоемкости процессов. В результате возникает необходимость разработки методов расчета тягового сопротивления корчеванию с учетом особенности архитектоники корневой системы дерева.

Цель исследований. Повышение эффективности и обеспечение ресурсосбережения процесса раскорчевки пней плодовых деревьев путем разработки нового технического средства.

Объект исследования. Процесс корчевания пней плодовых деревьев и техническое средство, обеспечивающее эффективность и ресурсосбережение

процесса корчевания.

Предмет исследований. Закономерности взаимодействия рабочих органов

корчевателя пней с почвой и корнями плодовых деревьев.

Методы исследований. В теоретических исследованиях использовали методы системной инженерии, концептуального моделирования, математического анализа, теоретической механики, математического моделирования процесса взаимодеиствия рабочего органа с почвой и корнями. Экспериментальные исследования проводили по частным методикам лабораторных и полевых исследований с использованием измерительных приборов, оборудования и оригинальных лабораторно-полевых установок. Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики.

Научную новизну составляют:

- результаты исследования распределения корней плодовых деревьев в почвенном массиве;

- количественные показатели фрактальной размерности корневой системы плодовых деревьев;

- физико-механические характеристики корней яблони;

- принципиальная схема корчевателя пней плодовых деревьев;

- математические модели взаимодействия рабочих органов корчевателя пней с почвой и корнями деревьев;

- закономерности изменения тягового сопротивления рабочего органа в зависимости от конструктивных параметров рабочих органов.

Практическая значимость работы заключается в обосновании общей компоновки и оптимальных параметров рабочих органов корчевателя пней плодовых деревьев, позволяющего повысить эффективность и обеспечить ресурсосбережение процесса раскорчевки плодовых деревьев. Эффективность процесса обеспечивается за счет увеличения производительности и уменьшения негативного воздействия на почву. Ресурсосбережение обеспечивается за счет снижения тягового сопротивления и возможности использования тракторов общего сельскохозяйственного назначения.

Положения, выносимые на защиту:

- исследование архитектоники корневой системы плодовых деревьев и физико-механические свойства корней;

- разработка концептуальной модели корчевателя пней плодовых деревьев;

- теоретические исследования тягового сопротивления рабочего органа корчевателя пней плодовых деревьев;

- закономерности изменения тягового сопротивления рабочего органа в зависимости от конструктивных параметров рабочих органов.

Реализация результатов исследований.

В результате проведенной работы была изготовлена опытная партия корчевателей пней марки КП-2 в количестве 5 шт.

Техническая экспертиза КП-2 проводилась ФГБНУ «Росинформагротех».

Заводские испытания КП-2 проводились на опытных полях ГНУ ВНИИС им. И.В. Мичурина Россельхозакадемии (г. Мичуринск Тамбовской области) и в ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА (г. Кинель Самарской области)

Производственно-хозяйственная проверка корчевателя пней плодовых деревьев КП-2 проводилась в СПК «Зеленый гай» Мичуринского района Тамбовской области, ГБУ Самарской области НИИ ЖС «Жигулевские сады» и ООО «Планета садов» Мичуринского района Тамбовской области в период 2011-2013 гг.

По результатам испытаний и производственно-хозяйственной проверки корчеватель КП-2 включен в «Систему машин и технологий для комплексной механизации и автоматизации сельскохозяйственного производства на период до 2020 года» и принято решение о постановке на производство в Инженерном центре ГНУ ВНИИС им. И.В. Мичурина Россельхозакадемии.

Достоверность результатов исследований подтверждается корректностью разработанных математических моделей, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента и результатами опытно-производственной проверки созданного технического средства, а также с результатами исследований других авторов. Достоверность новизны технического решения подтверждается двумя патентами на полезные модели.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались ежегодно с 2009 по 2013 гг. на научных конференциях Мичуринского государственного аграрного университета.

Отдельные материалы диссертации доложены и одобрены на научных конференциях в рамках Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов, молодых ученых высших учебных заведений Минсельхоза России (г. Саратов, ФГБОУ ВПО СГАУ им. Н.И. Вавилова, 2010, 2011 гг.); Международной научно-техническая конференция «Инновационные технологии и техника нового поколения — основа модернизации сельского хозяйства» (г. Москва, ГНУ ВИМ Россельхозакадемии, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Интеграция научно-технического потенциала регионов РФ и стран СНГ в решении задач механизации садоводства на современном этапе» (г. Мичуринск, ФГБОУ ВПО МичГАУ, 2012 г.).

Опытный образец корчевателя пней плодовых деревьев был представлен на: V, VI и VII Всероссийских выставках «День садовода» (г. Мичуринск, 2010, 2011, 2012 гг.); выставке «Инновационные проекты аграрной молодежи» в рамках XII Российской агропромышленной выставки «Золотая осень - 2010» (г. Москва, 2010).

Теоретические и экспериментальные исследования с производственной реализацией результатов удостоены золотой медали «За разработку корчевателя пней плодовых деревьев КП-2» Всероссийской выставки «День садовода 2010»; золотой медали в рамках Международной программы «Golden Galaxy», 2011 г.; золотой медали «За разработку корчевателя пней плодовых деревьев КП-2» XIV Российской агропромышленной выставки «Золотая осень - 2012».

Публикации результатов работы. Основные положения диссертационной работы отражены в 10 печатных работах, в том числе 3 работы в изданиях, рецензируемых ВАК РФ. Техническая новизна работы подтверждена двумя патентами РФ на полезные модели.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа содержит 198 машинописных страниц, 87 рисунков, 12 таблиц, 145 литературных источников и 19 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена краткая характеристика состояния вопроса, обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследований, изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса раскорчевки плодовых деревьев, цель и задачи исследований» отражены существующие технологии раскорчевки плодовых деревьев, способы удаления пней, обзор машин для удаления пней, приведен их анализ.

В результате анализа существующих технологий корчевания старых садов показал, что наиболее перспективной является раздельная раскорчевка, при которой процесс корчевания дерева разделен на отдельные операции: удаление надземной части и корчевание пней. Удаление пней является одной из самых энергоемких технологических операций при раздельной раскорчевке плодового дерева.

Проведенный анализ машин для корчевания показал, что существующие специализированные корчеватели пней очень энергоемки, так как предназначены для лесного хозяйства, где корчуемые пни имеют большие диаметры и мощные корневые системы по сравнению с плодовыми деревьями.

Большой вклад в формирование современной системы машин для раскорчевки и утилизации садовых насаждений внесли Завражнов А.И., Четвертаков A.B., Завражнов A.A., Ланцев В.Ю., Бычков В.В., Утков A.A.

Общим вопросам механизации раскорчевки деревьев и лесосечных работ посвящены работы Аликина Г.П., Винокурова В.Н., Силаева Г.В., Застенского Л.С., Бартенева И.М., Баранова A.M., Золотаревского A.A., Драпалюка М.В., Чмелева В.В., Серикова Ю.М., Титаренко Ю.А., и др.

Теоретическими и экспериментальные исследования процесса корчевания пней рассмотрены в работах Вавилова A.B., Шекеля А.И., Верховского A.B., Египко C.B., Алябьева А.Ф., Лазарева М.С., и др.

Обоснованию параметров рабочих органов машин, производящих глубокое рыхление почвы, посвящено множество работ. Значительный вклад в этом внесли Горячкин В.П., Зеленин А.Н., Синеоков Г.Н., Панов И.М., Кацыгин В.В., Далин А.Д., Вагин А.Т., Гудков А.Н., Ветров В.А., Тырнов Ю.А. и др., а так же зарубежные ученые G. Spoor, R. Godwin, R. Grisso, A. Koolen, E. Balaton, W. Swick, E. McKyes.

В результате проведенного анализа выяснено, что процессы взаимодействия рабочего органа с корневыми включениями изучены недостаточно, что приводит к необходимости разработки методов расчета тягового сопротивления корчеванию с учетом особенности архитектоники корневой системы дерева.

По результатам проведенного анализа в соответствии с поставленной целью были сформулированы задачи исследований:

1. исследовать распределение и структуру (архитектонику) корневой системы плодовых деревьев в почвенном массиве;

2. определить физико-механические свойства корней яблони;

3. разработать концептуальную модель (принципиальную схему) корчевателя пней плодовых деревьев;

4. установить теоретические закономерности взаимодействия рабочего органа корчевателя с почвой и находящимися в ней корнями на энергоемкость процесса корчевания пней;

5. провести экспериментальные исследования процесса взаимодействия рабочего органа с почвой и обосновать конструктивные параметры корчевателя;

6. провести производственную проверку разработанного корчевателя пней и определить технико-экономическую эффективность его использования.

Во второй главе «Изучение архитектоники плодовых деревьев» изложены программа, методика, а так же результаты исследований архитектоники корневой системы плодовых деревьев: распределения корней в почвенном массиве; определения показателя фрактальной размерности корневой системы.

В качестве объектов исследования рассматривались корневые системы яблонь сорта Антоновка на семенном подвое 1973 и 1978 годов закладки в учхозе «Комсомолец» и ООО «Планета садов» Мичуринского района Тамбовской области (объём исследований составил 110 деревьев).

Методика исследований архитектоники корневой системы предусматривала определение параметров корневой системы посредством лабораторно-полевых исследований с применением средств измерений и приборов.

Для исследования структуры корневой системы производили предварительный подкоп вокруг дерева на глубину 50 см в радиусе 1 м. После этого, при помощи навесного корчевателя производили удаление дерева с частью корневой системы, находящейся около штамба. С корней выкорчеванного дерева производили удаление почвы.

В исследуемых корневых системах производили измерения диаметров корней и фиксировали их распределение по диапазонам от 10 до 60 мм.

В результате проведенных исследований, нами получены следующие результаты. Средний диаметр околоземной части штамба находился в диапазоне 2535 см. Преимущественное расположение крупных корней (диаметром свыше 30 мм) наблюдалось в горизонте почвы 20-40 см. Корни меньшего диаметра располагались в более низких горизонтах почвенного массива. Наибольшее количество составляли корни диаметром до 30 мм (около 70%).

По результатам измерения корней плодовых деревьев построена усредненная гистограмма

распределения количества корней по диаметру сечения в почвенном массиве (рисунок 1). Количество корней диаметром от 30 до 60 мм составляет порядка 7... 10% на каждый диапазон рассматриваемых диаметров. Однако следует отметить, что несмотря на преобладающую концентрацию (43%) корни диаметром 10 мм имеют длину не более 0,5 м.

почвенном массиве

%

45

40

35 /

30 /

25 /

20 /

15 I/-

10 /

5 У' у. У и У. Ш и ЖИР"

10 20 30 40 50 60 70 й. мм

Рисунок 1 — Гистограмма распределения количества корней по диаметру сечения в

При исследовании объемного распределения корней использовался метод монолита и метод 31) моделирования. Результаты объемного распределения корней в почвенном массиве представлены на рисунке 2.

/ 1 ! 31 11\

-Г в

ДЬ

А "X

- :

/

СП

а

0...25%

25...50%

50...75%

1 75...100%

а - объемная диаграмма распределения корней; б - поперечное сечение объемной диаграммы Рисунок 2 - Объемное распределение корней в почвенном массиве

На основании анализа архитектоники корневой системы можно сделать вывод, что наибольшее содержание корней плодовых деревьев находится на расстоянии 0,5...0,55 м от штамба дерева и на глубине до 50 см.

Определение фрактальной размерности корневой системы яблони производился методом подсчета квадратов, заключающегося в подсчете количества ячеек, заполняемых проекцией корневой системы, при наложении на нее сетки различного масштаба (рисунок 3 а). После подсчета получаем график зависимости числа ячеек СЫ), покрывающих корневую систему, от размера стороны ячейки (Б), строящийся в двойном логарифмическом масштабе (рисунок 3 б). Тангенс угла наклона, аппроксимирующей полученную совокупность полученных точек является показателем фрактальной размерности.

1п(Ы)

Ш(а)

а - наложение сетки на изображение; б - зависимость количества ячеек от масштаба ячейки Рисунок 3 - Определение показателя фрактальной размерности

}

Предел прочности

я„яж, МПа

Коэф. вариации

Среднее квадрати-чеекое <т, кН

В результате проведенного эксперимента получили, что фрактальная размерность О корневой системы яблонь составила 1,63...1,68.

Проведение многочисленных имитационных экспериментов позволило получить зависимость, связывающую площадь, ограничивающую фрактальный объект, и площадь самого объекта (изображения), заключенного в выделенной площади.

где Б,.- - площадь изображения, м2; 5 - выделенная площадь, м2; £> - фрактальная размерность.

В третьей главе «Исследование усилий разрушения корней» изложена методика и результаты экспериментальных исследований усилия разрушения

корней плодовых деревьев.

Прочностные свойства древесины определяли для образцов различных диаметров, выполненных из корней яблони сорта Антоновка на семенном подвое. Влажность образцов составляла 65... 80 %, что соответствовало влажности свежевыкопанных корней деревьев, подлежащих раскорчевке. ^ ^

Исследование прочностных ШШ^ШШ В

свойств корней плодовой древесины ^ЯЙГ' ?*"?*,

проводили на разрывной машине марки ИР 5047-50-03. Определение испытаний на разрушение образцов в поперечном направлении проводили по схеме одноточечного нагружения (рисунок 4). Машина регистрирует изменение нагрузки и деформацию образца до его разрушения.

Результаты экспериментальных данных, полученных в результате проведения исследований в таблице 1.

Рисунок 4 - Испытания корней на разрушение

Таблица 1 - Усилие разрушения корней в зависимости от диаметра

Диаметр корней с1, мм

~То 20 30 40 50 60

Усилие разрушения (ср. арифм.)

685 2398 5105 10268 17189

Ошибка среднего арифметического ±т, кН

_6

21

73 77 92 211

1 - рама; 2 - опорные колеса; 3- подрезающий нож; 4 - стойка; 5- долото;

6 - выталкиватели; 7 - упругая штанга Рисунок 6 - Принципиальная схема корчевателя пней плодовых деревьев

Принципиальная схема корчевателя является основой для построения математической модели.

На основании полученных данных на рисунке 5 представлены зависимости

необходимого усилия для разрушения корней от диаметра корней.

Из анализа полученных данных среднее значение предела прочности корней различных диаметров составляет 27,19+1,08 МПа. Рисунок 5 - Зависимости усилия разрушения

корней Т7 от их диаметра ^

В четвертой главе «Разработка концептуальной модели корчевателя пней плодовых деревьев» представлены процедуры формирования принципиальной схемы корчевателя пней плодовых деревьев. В основе процесса разработки концептуальной модели лежат методы системной инженерии, рассматривающей любой процесс решения сложных проблем как каскад жизненных циклов (этапов), определяющих эволюцию создания концептуальной модели. В результате разработана концептуальная модель, представляющая принципиальную схему

корчевателя пней плодовых деревьев.

Корчеватель пней (рисунок 6) состоит из рамы, на которой установлены два наклоненных к вертикали рабочих органа, продольно смещенные друг относительно друга. Каждый рабочий орган представляет собой стойку, на передней кромке которой установлена упругая штанга, а на задней шарнирно закреплены выталкиватели с опорными пятами. Снизу стойки установлено долото. Перед каждым рабочим органом установлен вертикальный подрезающий нож.

В пятой главе «Построение математической модели процесса корчевания пней плодовых деревьев» представлены теоретические исследования процесса взаимодействия рабочего органа корчевателя пней с почвой и корнями и получена математическая модель, определяющая тяговое сопротивление рабочего органа корчевателя.

Тяговое сопротивление рабочего органа корчевателя в общем виде определяли по уравнению

Р = Р1 + Р2+Р3, (2)

где Р|— усилие, затрачиваемое на деформацию почвы, Н; Р2 — усилие, затрачиваемое на подъем пласта с пнем по выталкивателям, Н; Р3 - усилие, затрачиваемое на разрушение корней в почве, Н.

Деформация почвенного пласта рабочим органом происходит под воздействием долота и стойки. Тяговая составляющая сопротивления на деформацию почвы в общем виде представляет собой сумму тягового сопротивления долота и стойки

Р,=Р* + Р^ (3)

где Р,) — тяговое сопротивление на деформацию почвы долотом, Н; Рст — тяговое сопротивление на деформацию почвы стойкой, Н.

В основе рыхления почвы долотом рассматривалась трехмерная модель разрушения почвы, предложенная Г. Гудвином и Р. Спуром. На основании исследований Е. Маккейза и О. Али тяговое сопротивление долота определяли по выражению

р} = ф1 ыг + амс + Са hNCl)-*>„, (4)

где Ь,) — ширина долота, м; /г — глубина обработки, м; ускорение свободного падения, м/с2; С - когезия (внутреннее сцепление) почвы; Са - адгезия почвы; р — угол внутреннего трения почвы, град; у„ — плотность почвы с корнями, кг/м3; Ыу - коэффициент, характеризующий критический угол разрушения почвы, Ыс - коэффициент, учитывающий внутреннее сцепления почвы (когезию), Ыса ~ коэффициент, учитывающий адгезию почвы.

Коэффициенты Л',,, •, Ы(\, определяли по выражениям

V"

^ (С,8Р +

N =-

2/?

-3»,

1-1

(5)

соб(/? + (р)+$\п{р + (p)ctg(y/ + р) где г - радиус боковой деформации почвы, м; И - глубина обработки, м; Ьг> - ширина долота, м; /? — угол крошения долота, град; <р - угол трения почва-метапл, град; р — угол внутреннего трения почвы, град; у/ - угол наклона поверхности разрушения в продольно-вертикальной плоскости.

(l + ctgi//- ctg{f¡/ + p))

1+ {clgP + ctgy/)-o.

К =

( T

yctgP + ctgy/)

cos{fi + (p)+ s¡n(/? + (p)ctg(y/ + p) N (l -ctgp-ctg(y/ + p))

cos(/? + <p)+ sin(/7 + ip)ctg(if/ + p) где cp - угол трения почвы по металлу.

Сопротивление стойки корчевателя определяли по выражению р уа ■ h1 ■ 1ш • sin (рст ■ tgq>

(6)

(7)

(8)

Подставляя выражения (4) и (8) в уравнение (3), получаем усилие Ри затрачиваемое на деформацию почвы

Р, = (г.еьг"г+сшс + г"'к1 -'8Г (9)

Горизонтальная составляющая тягового сопротивления на подъем пласта по выталкивателям Р2 (рисунок 7) определяли по выражению

Рг = 0,5у ^ЬИсоьа \Bsma +tg(pt<¡nвcosa), (10)

где Ь — длина выталкивателя, м; Л - глубина обработки, м; В - ширина захвата машины, м; г„ - ширина выталкивателя, м; пв - количество выталкивателей, шт.; у„ - плотность почвенного пласта с корнями, кг/м"1; а — угол наклона выталкивателя к горизонту, град; <р - угол трения почвы о металл.

Рисунок 7 -Расчетная схема к определению составляющей на подъем подрезанного пласта с пнем по выталкивателям

Усилие, необходимое для разрушения одного корня диаметром <1 в почве определяли по формуле

/" = 0,3975-¿"4а}^. (11)

где с/ - диаметр корня, м; к\ - коэффициент жесткости основания Па/м; Е - модуль упругости древесины корня, Па.

Общая площадь контакта стойки с корнями при движении рабочего органа в почве (рисунок 8) определяли по формуле

( ьл

СОБ

где ¿о — ширина рабочего органа, м; срст - угол наклона рабочего органа к горизонту, град; /3 — фрактальная размерность корневой системы.

Рисунок 8 - Расчетная схема к определению встречи рабочего органа с корнями Суммарный диаметр корней, попадающих на рабочий орган определяли по

выражению

Р-2

Т

СО 5<р„

Количество корней /-го диаметра определяли по формуле

(13)

(14)

где со,— доля корней /-го диаметра.

Суммарное усилие, возникающее при разрушении корней рабочим органом определяли по формуле

Р, =£/Г = 0,3975 • ■ (15)

V £

где (1,— диаметр корня.

Подставляя выражения (13) в (14), а затем полученное выражение в уравнение (15), после преобразований получили

12 (,б) V Е Усо$(ри )

Р3 = 0,3975 ■ |егЬ —1 V Е

Совместное решение уравнений (2), (9), (10) и (16) позволяет получить математическую модель энергоемкости процесса корчевания.

В шестой главе «Исследование тягового сопротивления стойки корчевателя» изложена методика и результаты экспериментальных исследований тягового сопротивления стойки рабочего органа корчевателя пней плодовых деревьев от угла наклона в поперечно-вертикальной плоскости.

Тяговое сопротивление стойки корчевателя определяли при помощи разработанной лабораторно-полевой установки (рисунок 9), представляющей собой брус, на котором установлен параллелограммный механизм с тензометрическим звеном и кронштейном для крепления стойки. Кронштейн имеет возможность . - - наклона стойки в поперечно-вертикальной плоскости.

I - параллелограммный механизм, 2 - кронштейн, 3 - стойка, 4 - опорное колесо, 5 - электронный регистратор, 6 - тензозвено Рисунок 9 - Общий вид лабораторно-полевой установки

Экспериментальные исследования проводились на поле ВНИИС им. И.В. Мичурина Россельхозакадемии.

Измерение тягового сопротивления проводилось при углах установки стоек (3 в 0°, 15°, 30° и 45°. Обеспечение одной и той же глубины обработки И при изменении угла наклона стойки, производили при помощи соответствующего изменения высоты установки колес.

Для каждого угла наклона исследования проводились в трехкратной повторности. При каждом опыте длина прохода составляла 100 м. Скорость трактора составляла 2,5 км/ч (=0,7 м/с).

Результаты экспериментальных исследований тягового сопротивления стойки корчевателя, полученные после обработки методами статистической оценки представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Значение тягового сопротивления от угла установки стойки

Угол 0° 15° 30° 45°

Повтор-ность 1 2 3 1 2 3 I 2 3 1 2 3

Хер 16,06 16,62 15,94 14,01 13,25 13,08 13,27 12,31 12,98 12,20 12,41 12,93

±т 0,06 0,08 0,08 0,06 0,06 0,06 0,06 0,08 0,08 0,06 0,06 0,08

<Т2 0,60 1,14 0,88 0,65 0,73 0,68 0,50 0,94 0,82 0,72 0,76 0,83

<Т 0,77 1,07 0,94 0,81 0,85 0,82 0,71 0,97 0,90 0,85 0,87 0,91

У,% 4,8 6,4 5,9 5,8 6,4 6,3 5,4 7,9 6,9 7,0 7,0 7,0

Зависимость тягового сопротивления стойки от угла наклона представлена на рисунке 10.

Таким образом, анализ графической зависимости, представленной на рисунке 10, показывает, что с увеличением угла наклона стойки, тяговое сопротивление снижается и минимально при угле наклона стойки 25...45°. Дальнейшее увеличение угла наклона нецелесообразно, так для обеспечения необходимой глубины работы значительно увеличивается длина рабочего органа и нарушаются условия однозначности проведения эксперимента.

В седьмой главе «Производственная проверка и экономическая эффективность использования корчевателя пней плодовых деревьев» представлены результаты производственной проверки корчевателя пней плодовых деревьев в СПК «Зеленый гай» Мичуринского района Тамбовской области, ГБУ Самарской области НИИ ЖС «Жигулевские сады», ООО «Планета садов» Мичуринского района Тамбовской области; а так же внедрения в производство в ООО «Научно-производственное предприятие «ПитомникМаш», AHO «РНТЦ «Индустриальные машинные технологии интенсивного садоводства» и Инженерном центре ВНИИС им. И.В. Мичурина Россельхозакадемии, специализирующихся на производстве техники для садоводства.

Оценка экономической эффективности внедрения корчевателя пней плодовых деревьев показала, что применение разработанного корчевателя позволяет обеспечить снижение удельных затрат на раскорчевку на 5,8 тыс. руб./га по сравнению с отечественным корчевателем и на 2,4 тыс. руб./га по сравнению с зарубежным корчевателем.

к

у - 15.603xAossa

R2 - 0Ä89

0 15 30 45 Р- град

Рисунок 10 - Зависимость тягового сопротивления стойки от угла наклона

Заключение

1. В результате анализа технологий раскорчевки и утилизации старых садовых насаждений установлено, что на современном этапе наиболее перспективной является технология раздельной раскорчевки, предусматривающая разделение технологического процесса корчевания на отдельные операции: валку деревьев без корней и корчевание пней. Данная технология позволяет значительно повысить эффективность и обеспечить ресурсосбережение процесса.

2. Исследование архитектоники корневой системы показало, что средний диаметр околоземной части штамба деревьев яблони сорта Антоновка на семенном подвое 1973 и 1978 гг. закладки находится в диапазоне 25-35 см. Преимущественное расположение крупных корней (диаметром свыше 30 мм) наблюдается в горизонте почвы 15-40 см. Наибольшее содержание корней плодовых деревьев находится на расстоянии 0,5...0,55 м от штамба дерева и на глубине до 0,5 м. Преобладающее количество составляют корни диаметром до 30 мм (около 65%). Количество корней диаметром от 30 до 60 мм составляет порядка 7... 10% на каждый диапазон (от 10 до 60 мм) рассматриваемых диаметров. В результате исследования физико-механических свойств установлено, что предел прочности корней поперечному разрушению при влажности древесины 65...80 % составляет 27,19± 1,08 МПа.

3 Определено, что наиболее эффективным методом описания архитектоники корневой системы деревьев (как сложного геометрического объекта) является фрактальное моделирование, которое позволяет при сохранении информативности получить количественные характеристики, выражающиеся фрактальной размерностью. Данный показатель характеризует концентрацию корней в почвенном массиве и используется для определения тяговой составляющей разрушения корней в почве. Экспериментальными исследованиями определено, что фрактальная размерность D корневой системы яблонь сорта Антоновка, 1973... 1978

гг. посадки, составила 1,63...1,68.

4 В результате концептуального моделирования и полевых исследовании корневой системы плодовых деревьев разработана принципиальная схема корчевателя и определены его конструкционные параметры. Рабочая ширина захвата корчевателя составляет 1—1,1 м, а глубина обработки -0,45..0,55 м.

5 В результате проведения экспериментальных исследований получена зависимость тягового сопротивления от угла наклона рабочего органа корчевателя. Определено, что рабочий орган имеет наименьшее тяговое сопротивление при его установке под углом наклона в поперечно-вертикальной плоскости у/=25...45°.

6 В результате теоретических и экспериментальных исследований получена математическая модель, определяющая тяговое сопротивление рабочего органа корчевателя пней плодовых деревьев. Тяговое сопротивление рабочего органа представляет собой сумму усилий на рыхление почвенного пласта Ри на подъем почвенного пласта по выталкивателям Р2 и на разрушение корней в почве Р3. Рассчитаны зависимости каждой составляющей тягового сопротивления и получены их численные значения. При корчевании яблонь сорта Антоновка, 1973... 1978 гг. посадки, они составляют />,=12000...13000 Н, Р2= 1500...2300 Н, />3=8000... 10500 Н

7. Определено, что применение разработанного корчевателя позволяет обеспечить эффективность и ресурсосбережение процесса корчевания пней плодовых деревьев за счет использования тракторов общего сельскохозяйственного назначения и меньшего тягового класса (5 тяговый класс). Экономия удельных затрат на корчевание пней новым корчевателем КП-2 составляет 5,8 тыс. руб./га по сравнению с отечественным корчевателем КТ-1 и 2,4 тыс. руб./га по сравнению с зарубежным корчевателем садов (Италия), что соответствует снижению затрат на 15% и на 7% соответственно.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в ведущих изданиях, рецензируемых ВАК России

1 Егоров, Д.А. Таксационная оценка и архитектоника корневой системы плодовых деревьев, подлежащих раскорчевке [Текст] / A.A. Завражнов, В.Ю. Ланцев, Д.А. Егоров // Вестник Мичуринского государственного аграрного

университета, №3-2012, с. 212-218.

2 Егоров, Д.А. Разработка концептуальной модели корчевателя пней плодовых деревьев [Текст] / А.И. Завражнов, A.A. Завражнов, В.Ю. Ланцев, Д.А Егоров // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета, № 1 4.1.-2012, - с. 153-164.

3. Егоров, Д.А. Теоретическое определение усилия разрушения корней в почве рабочим органом корчевателя [Текст] / A.A. Завражнов, В.Ю. Ланцев, Д.А. Егоров // Достижения науки и техники АПК, №4-2013, с. 49-51.

Публикации в других изданиях и материалах конференций

4. Егоров, Д.А. Ресурсосберегающие машинные технологии для интенсивного садоводства [Текст] / A.A. Завражнов, В.Ю. Ланцев, Д.А. Егоров // Инновационные технологии производства, хранения и переработки плодов и ягод: Мат. науч.-практ. конф. 5-6 сентября 2009 года в г. Мичуринске Тамбовской области - С.155-160.

5. Егоров, Д.А. К описанию архитектоники плодового дерева [Текст] / А.И. Завражнов, Д.А. Егоров, A.B. Сясин // Материалы 62-й конференции студентов и аспирантов (II раздел): сб. науч. тр. Всерос. науч. практ. конф. 25-26 марта 2010. Мичуринск: Изд-во Мичуринского госагроуниверситета, 2010. - С. 105-108.

6. Егоров, Д.А. Ресурсосберегающая машинная технология раскорчевки плодовых деревьев [Текст] / А.И. Завражнов, Д.А. Егоров // Сборник научных трудов по материалам III тура Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства России (номинации «Агроинженерия», «Зоотехния», «Технические науки»), - Саратов: Издательство «КУБиК», 2010. - С. 181-185.

7. Егоров, Д.А. Техническое средство для раскорчевки пней плодовых деревьев [Текст] / А.И. Завражнов, Д.А. Егоров // Сборник научных трудов по материалам III тура Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства России (номинации «Зоотехния», «Агроинженерия», «Технические науки»)/ Под ред. И.Л. Воротникова. - Саратов: Издательство «КУБиК», 2011. - С. 29-32.

8. Егоров, Д.А. Экспериментальное определение усилия разрушения корней плодовых деревьев [Текст] / А.И. Завражнов, Д.А. Егоров, A.C. Пятов // Материалы 65-й конференции студентов и аспирантов: сб. науч. тр. Всерос. науч. практ. конф. 26-28 марта. - Мичуринск, 2013 г. (в печати).

В описаниях к полезным моделям

9. Пат. 98326 Российская Федерация, МПК A01G23/06. Рабочий орган для извлечения корней и древесных остатков из почвы [Текст] / Завражнов А.И., Завражнов A.A., Ланцев В.Ю., Егоров Д.А., Чирков Л.Г.: заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный центр «БиоТехМаш», Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мичуринский государственный аграрный университет". -№ 2010116100/21; заявл. 23.04.2010; опубл. 20.10.2010. -2 с.

10. Пат. 99924 Российская Федерация, МПК A01G23/06 (2006.01). Орудие для корчевания пней [Текст] / Завражнов А.И., Завражнов A.A., Ланцев В.Ю., Егоров Д.А.: заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный центр «БиоТехМаш». -№2010129561/05; заявл. 19.07.2010; опубл. 10.12.2010.-2 с.

Отпечатано в типографии РНТЦ «ИнТех» Подписано в печать 3.06.13 г. Формат 60x84 '/щ, Бумага офсетная №1. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № 00247

Региональный научно-технический центр «Индустриальные машинные технологии интенсивного садоводства» 393760, Тамбовская область, г.Мичуринск, ул. Мичурина, д. 30. Тел./факс: 8 (47545) 5-30-96 E-mail: noc-inteh@yandex.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет»

л^ол-1 з£0£ 80 На правах рукописи

Егоров Дмитрий Александрович

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО СРЕДСТВА ДЛЯ РАСКОРЧЕВКИ ПНЕЙ ПЛОДОВЫХ ДЕРЕВЬЕВ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: канд. техн. наук Завражнов A.A.

Мичуринск-наукоград РФ, 2013.

РЕФЕРАТ

Диссертация содержит 212 машинописных страниц, 87 рисунков, 12 таблиц, 155 литературных источников и 19 приложений.

Ключевые слова: корчеватель пней, садоводство, архитектоника, корневая система, фрактальная размерность, концептуальная модель.

Цель работы. Повышение эффективности и обеспечение ресурсосбережения процесса раскорчевки пней плодовых деревьев путем разработки нового технического средства.

Объект исследований. Процесс корчевания пней плодовых деревьев и техническое средство, обеспечивающее эффективность и ресурсосбережение процесса корчевания.

На основе анализа существующих технических средств для корчевания пней разработана концептуальная модель корчевателя пней плодовых деревьев. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований определены оптимальные конструктивные параметры корчевателя пней плодовых деревьев. Исследована архитектоника корневой системы плодовых деревьев, определен показатель фрактальной размерности корневой системы плодовых деревьев, изучены физико-механические характеристики корней яблони. Экспериментально определен оптимальный угол наклона рабочего органа корчевателя, обеспечивающий снижение тягового сопротивления. Проведена производственная проверка разработанного корчевателя пней плодовых деревьев и сравнительный технико-экономический анализ его применения.

Внедрение предложенного корчевателя пней плодовых деревьев позволит повысить эффективность и обеспечить ресурсосбережение процесса раскорчевки плодовых деревьев.

Оглавление

Введение........................................................................................................................5

1 Состояние вопроса раскорчевки плодовых деревьев, цель и задачи исследований..........................................................................................................11

1.1 Существующие технологии раскорчевки плодовых деревьев...................11

1.2 Способы удаления пней...............................................................................22

1.3 Обзор и анализ машин для удаления пней деревьев..................................26

1.3.1 Корчевальные машины......................................................................26

1.3.2 Измельчители пней............................................................................36

1.3.3 Патентный обзор машин для удаления пней...................................42

1.4 Обзор теоретических исследований процесса взаимодействия рабочих органов с почвой и древесиной.........................................................................57

1.5 Выводы по разделу.......................................................................................68

1.6 Цель и задачи исследования........................................................................68

2 Изучение архитектоники плодовых деревьев....................................................70

2.1 Краткий обзор исследований корневой системы плодовых деревьев.......70

2.1.1 Классификация корневых систем древесной растительности........70

2.1.2 Методы исследования корневых систем деревьев...........................73

2.1.3 Обзор результатов исследований корневой системы плодовых деревьев.......................................................................................................75

2.2 Исследование распределения корней в почвенном массиве......................77

2.2.1 Методика исследования распределения корней в почвенном массиве........................................................................................................77

2.2.2 Результаты исследований распределения корней в почвенном массиве........................................................................................................78

2.3 Определение фрактальной размерности корневой системы......................82

2.3.1 Общие сведения о фракталах............................................................82

2.3.2 Методы определения фрактальной размерности объектов.............86

2.3.3 Результаты исследований определения фрактальной размерности................................................................................................87

2.3.4 Методика определения фрактальной размерности корневой системы.......................................................................................................88

2.3.5 Результаты определения фрактальной размерности корневой системы.......................................................................................................89

2.4 Применение показателя фрактальной размерности к определению количества корней, встречаемых рабочим органом.........................................90

3 Исследование усилий разрушения корней.........................................................92

3.1 Обзор исследований физико-механических свойств плодовой древесины...........................................................................................................92

3.2 Методика определения усилия разрушения корней...................................93

3.3 Результаты исследований на усилие разрыва корней................................97

4 Разработка концептуальной модели корчевателя пней плодовых деревьев. Теоретическое исследование тягового сопротивления....................................99

4.1 Разработка концептуальной модели корчевателя пней плодовых деревьев..............................................................................................................99

4.1.1 Системный подход при разработке концептуальной модели.........99

4.1.2 Построение концептуальной модели корчевателя пней плодовых деревьев.....................................................................................................103

5 Теоретические исследования тягового сопротивления рабочего органа корчевателя пней.................................................................................................110

5.1 Теоретические исследования тягового сопротивления рабочего органа корчевателя пней..............................................................................................110

5.2 Выводы по разделу.....................................................................................126

6 Исследование тягового сопротивления стойки корчевателя........................128

6.1 Цель проведения испытаний......................................................................128

6.2 Экспериментальная лабораторно-полевая установка, применяемые приборы и оборудование.................................................................................128

6.3 Методика определения тягового сопротивления стойки корчевателя.... 131

6.4 Результаты исследований тягового сопротивления стойки корчевателя.......................................................................................................132

7 Производственная проверка и экономическая эффективность использования корчевателя пней плодовых деревьев...................................134

7.1 Опытно-производственная проверка корчевателя пней плодовых деревьев............................................................................................................134

7.2 Технико-экономическая оценка результатов внедрения корчевателя пней плодовых деревьев...........................................................................................136

Заключение..............................................................................................................145

Список литературы................................................................................................147

Приложения.............................................................................................................163

Актуальность темы исследования. Отечественное промышленное садоводство в нашей стране является одной из динамически развивающихся отраслей сельского хозяйства. Это подтверждается рядом постановлений правительства РФ и разработкой Федеральных, отраслевых и региональных программ развития садоводства и питомниководства, в основе которых лежат положения Стратегии национальной безопасности РФ до 2020 года, Государственной программы «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы» и других законодательных актов.

Перспективным направлением развития промышленного садоводства является переход на интенсивные технологии, в которых используются слаборослые подвои. Это требует повсеместной закладки новых садов интенсивного типа. В настоящее время в России 90 % всех садов составляют сады экстенсивного типа. Свободных земель под закладку новых садов практически нет, что в свою очередь требует освоения территорий, занятых старыми садовыми насаждениями. Только в Центрально-Черноземном районе сады, вышедшими из оборота занимают более 50 тыс. га [73]. Однако закладка новых садов сдерживается из-за отсутствия эффективных и ресурсосберегающих технических средств для раскорчевки и утилизации старых садовых насаждений [47, 48].

В настоящее время в отечественном промышленном садоводстве при раскорчевке садовых насаждений используется технология, которая трактуется как сплошная раскорчевка, в основе которой лежит использование различных типов навесных корчевателей, представляющих собой отвал с зубьями на базе гусеничного трактора. Основными технологическими операциями при сплошной раскорчевке являются: свал дерева, перемещение раскорчеванных деревьев на край участка, формирование валков корчевателями-собирателями и сжигание ветвей, сложенных в валок [50].

В результате данного метода в почве остается значительное количество корней, происходит уплотнение нижних слоев почвы из-за применения тяжелых гусеничных тракторов, при сжигании выгорает гумусовый слой почвы. Все это требует проведения большого объема культуртехнических работ по восстановлению плодородия почвы [50].

Современные технологии используют принцип раздельной раскорчевки и утилизации старых садовых насаждений. С точки зрения ресурсосбережения применение данной технологии наиболее рационально [50]. Разделение технологического процесса раскорчевки на отдельные операции (валку дерева без корней и корчевание пней) дает возможность снижения энергоемкости процесса. Но, как показывает практика, данная технология применяется преимущественно за рубежом [140].

Удаление пней является одной из самых энергоемких и ресурсозатратных технологических операций при корчевании плодового дерева. Специализированных корчевателей пней плодовых деревьев нет, а используемые орудия применимы преимущественно для лесного хозяйства и сделаны на базе энергонасыщенных промышленных тракторов.

Поэтому совершенствование технологии раздельной раскорчевки путем разработки корчевателя пней плодовых деревьев является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме «Ресурсосбережение и экологическая безопасность индустриальных машинных технологий интенсивного садоводства» (шифр: 2010-1.1-225-051-031, государственный контракт № 02.740.11.0741 от 12.04.2010 г.).

Степень разработанности.

Общим вопросам механизации раскорчевки деревьев и лесосечных работ посвящены работы Аликина Г.П., Винокурова В.Н., Силаева Г.В., Застенского Л.С., Бартенева И.М., Баранова A.M., Золотаревского А. А., Драпалюка М.В., Чмелева В.В., Серикова Ю.М., Титаренко Ю.А., и др [1, 8, 26, 27, 36, 45, 55, 71, 78, 112]. Теоретическими и экспериментальные исследования процесса

корчевания пней рассмотрены в работах Вавилова A.B., Шекеля А.И., Верховского A.B., Египко C.B., Алябьева А.Ф., Лазарева М.С., и др [3, 19, 23, 49, 144].

Однако, следует отметить, что работы, посвященные проблеме корчевания пней рассматривались преимущественно для лесосек при лесовосстановлении или мелиоративных работах для освоения земель. Разработки по созданию средств механизации для корчевания пней плодовых деревьев, корневая система которых менее мощная по сравнению с деверьями лесных пород, не проводились.

Процессы взаимодействия рабочего органа с почвой с корневыми включениями в почве изучены недостаточно. В основном, влияние корней на процесс корчевания учитывался вероятностными распределениями корней в почве или усредненным показателем, что приводит к получению некорректных результатов при определении энергоемкости процессов. В результате возникает необходимость разработки методов расчета тягового сопротивления корчеванию с учетом особенности архитектоники корневой системы дерева.

Цель исследований. Повышение эффективности и обеспечение ресурсосбережения процесса раскорчевки пней плодовых деревьев путем разработки нового технического средства.

Объект исследования. Процесс корчевания пней плодовых деревьев и техническое средство, обеспечивающее эффективность и ресурсосбережение процесса корчевания.

Предмет исследований. Закономерности взаимодействия рабочих органов корчевателя пней с почвой и корнями плодовых деревьев.

Методы исследований. В теоретических исследованиях использовали методы системной инженерии, концептуального моделирования, математического анализа, теоретической механики, математического моделирования процесса взаимодействия рабочего органа с почвой и корнями. Экспериментальные исследования проводили по частным методикам лабораторных и полевых исследований с использованием измерительных приборов, оборудования и

оригинальных лабораторно-полевых установок. Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики.

Научную новизну составляют:

- результаты исследования распределения корней плодовых деревьев в почвенном массиве;

- количественные показатели фрактальной размерности корневой системы плодовых деревьев;

- физико-механические характеристики корней яблони;

- принципиальная схема корчевателя пней плодовых деревьев;

- математические модели взаимодействия рабочих органов корчевателя пней с почвой и корнями деревьев;

- закономерности изменения тягового сопротивления рабочего органа в зависимости от конструктивных параметров рабочих органов.

Практическая значимость работы заключается в обосновании общей компоновки и оптимальных параметров рабочих органов корчевателя пней плодовых деревьев, позволяющего повысить эффективность и обеспечить ресурсосбережение процесса раскорчевки плодовых деревьев. Эффективность процесса обеспечивается за счет увеличения производительности и уменьшения негативного воздействия на почву. Ресурсосбережение обеспечивается за счет снижения тягового сопротивления и возможности использования тракторов общего сельскохозяйственного назначения.

Положения, выносимые на защиту:

- исследование архитектоники корневой системы плодовых деревьев и физико-механические свойства корней;

- разработка концептуальной модели корчевателя пней плодовых деревьев;

- теоретические исследования тягового сопротивления рабочего органа корчевателя пней плодовых деревьев;

- закономерности изменения тягового сопротивления рабочего органа в зависимости от конструктивных параметров рабочих органов.

Реализация результатов исследований.

В результате проведенной работы была изготовлена опытная партия корчевателей пней марки КП-2 в количестве 5 шт.

Техническая экспертиза КП-2 проводилась ФГБНУ «Росинформагротех».

Заводские испытания КП-2 проводились на опытных полях ГНУ ВНИИС им. И.В. Мичурина Россельхозакадемии (г. Мичуринск Тамбовской области) и в ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА (г. Кинель Самарской области)

Производственно-хозяйственная проверка корчевателя пней плодовых деревьев КП-2 проводилась в СПК «Зеленый гай» Мичуринского района Тамбовской области, ГБУ Самарской области НИИ ЖС «Жигулевские сады» и ООО «Планета садов» Мичуринского района Тамбовской области в период 20112013 гг.

По результатам испытаний и производственно-хозяйственной проверки корчеватель КП-2 включен в проект «Системы машин и технологий для комплексной механизации и автоматизации сельскохозяйственного производства на период до 2020 года» и принято решение о постановке на производство в Инженерном центре ГНУ ВНИИС им. И.В. Мичурина Россельхозакадемии.

Достоверность результатов исследований подтверждается

корректностью разработанных математических моделей, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента и результатами опытно-производственной проверки созданного технического средства, а также с результатами исследований других авторов. Достоверность новизны технического решения подтверждается двумя патентами на полезные модели.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались ежегодно с 2009 по 2013 гг. на научных конференциях Мичуринского государственного аграрного университета.

Отдельные материалы диссертации доложены и одобрены на научных конференциях в рамках Всероссийского конкурса на лучшую научную работу

среди студентов, аспирантов, молодых ученых высших учебных заведений Минсельхоза России (г. Саратов, ФГБОУ ВПО СГАУ им. Н.И. Вавилова, 2010,

2011 гг.); Международной научно-техническая конференция «Инновационные технологии и техника нового поколения - основа модернизации сельского хозяйства» (г. Москва, ГНУ ВИМ Россельхозакадемии, 2011 г.); Международной научно-пра