автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование структуры и параметров лесной сеялки на базе мотоблока

На правах рукописи

Хинчук Дарья Геннадьевна

ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ ЛЕСНОЙ СЕЯЛКИ НА БАЗЕ МОТОБЛОКА

05.21.01 - технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 ДЕК 2014

Архангельск 2014

005556390

005556390

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Мясищев Дмитрий Геннадьевич

Официальные оппоненты: Александров Валентин Александрович

доктор технических наук, профессор, СПб ГЛТУ им. Кирова, заведующий кафедрой проектирования специальных лесных машин

Прокопьев Андрей Федорович

кандидат технических наук,

000«В0СТ0К НАО», ведущий специалист по материально-техническому обеспечению

Ведущая организация: Федеральное бюджетное учреждение

«Северный научно-исследовательский институт лесного хозяйства» (СевНИИЛХ)

Защита состоится «24» декабря 2014 г. в 9.00 на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 на базе ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» по адресу: 163002, Архангельск, набережная Северной Двины 17, ауд.1220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» и на сайте www.narfu.ru. Автореферат разослан « » 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

ш

Земцовский Алексей Екимович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Естественное возобновление древесных пород под пологом леса происходит часто неудовлетворительно. Качественное искусственное лесовосстановление при сплошнолесосечном хозяйстве -основа интенсивного лесного хозяйства, позволяющего получить с единицы площади в несколько раз большее количество качественных лесоматериалов за тот же период времени, чем при экстенсивном хозяйстве.

Сводный, то есть исчисляемый по отношению ко всем видам выбытия лесов, коэффициент восстановления составляет 66,5% на 2005 год. Примерно треть из которых приходится на посадку и посев леса. Для улучшения этой тенденции нужно, в том числе, и освоение передовых технологий при лесовосстановлении и осуществление технической модернизации воспроизводства лесов.

Механизированный посев приобрел достаточную популярность, так как он сравнительно не дорог и дает более положительные результаты по сравнению с естественным возобновлением согласно Тимо Лейнонен, Metía, Маркку Туртиайнен и др. Техника, применяемая для лесовоссанов-ления, имеет различное оснащение в зависимости от условий, на которых ее планируется применять. Однако, на мелкоконтурных, а также труднодоступных участках нецелесообразно, а порой и невозможно, применение габаритной техники по целому ряду причин. Анализ конструкций сеялок, применяемых в мировой практике также показал, что имеется тенденция к использованию малогабаритных сеялок, с целью засева дальних и труднодоступных участков, а также наименьшего повреждения почвенного покрова. Таким образом, можно сделать вывод об актуальности лесовосста-новительной техники на базе средств малой механизации с применением фактора, влияющего на повышение всхожести и других качественных показателей сеянцев.

Степень разработанности темы исследований.

Проблемами механизации лесовосстановительных работ занимались ученые: В.В. Ильяков, Г.А. Ларюхин, П.П. Корниенко, А.Ф. Пронин, Г.И. Левитский, В.Ф. Зинин, Г.П. Ильин, М.С. Метальников, В.Н. Винокуров, М.П. Албяков, М.К. Асмоловский, A.M. Цыпук, А.И. Соколов, A.B. Родионов, А.Э. Эгипти, Е.М. Онучин (Россия), John Larson, Richard Hallman, Gary Kees, Brad Campbell (США) и другие. Вопросами средств малой механизации занимались исследователи Д.Г. Мясищев, В.В. Бурков, Е.П. Зи-кунов, A.M. Рудник (Россия). Проблемы конструктивных особенностей почвообрабатывающих орудий рассматривались учеными В.П. Горячкин, П.С. Нартов, Ф.В. Пошарников, А.Ф. Иванов, А.Н. Юрин, В.П. Антипин, В.И. Ветохин, И.М. Панов, Ю.П. Леонтьев, С.С. Евсюков (Россия) и другие. Вопросами лесовосстановления занимались ученые И.С. Мелехов, А.К. Буторина, Орлов Ф.Б., П.М. Малаховец, Л.А. Казаков, Бабич H.A., Редько Г.И., М.жД. Мерзленко, E.H. Наквасина (Россия), Тимо Лейнонен,

Маркку Туртиайнен (Финляндия), D.G.M. Donald, T.J. Hodgson (ЮАР), Mary L. Duryea, Phillip M. Dougherty, James A. Allen (США) и другие.

Цель работы заключается в обосновании конструкции лесной сеялки на базе мотоблока для мелкоконтурных дренированных вырубок и под пологом древостоя с применением предпосевной обработки семян в виде фактора магнитной индукции при непосредственном высеве в почву.

Задачи исследований:

— разработать концепцию лесной сеялки на базе средств малой механизации, для использования на дренированных таежных территориях вырубок, гарей и под пологом леса;

— решение задачи оптимизации параметров малогабаритной сеялки, связанных с математической моделью и агротехникой посева семян ели для снижения энергозатрат технологического процесса;

— исследовать влияние фактора магнитного потока при применении кривой наискорейшего спуска для семяпровода на параметры сеянцев и эффективности лесовосстановления в открытом грунте;

— изготовить и испытать экспериментальный образец;

— определить оптимальную величину индукции магнитного поля на параметры сеянцев ели обыкновенной;

— произвести оценку результатов экспериментальных испытаний.

Научная новизна. Разработанные и исследованные математические

модели процессов, при действии малогабаритного посевного агрегата с учетом его конструктивных факторов и эффекта воздействия кратковременного магнитного поля на семена перед их попаданием в почву, углубляет представления о теории механизации лесного хозяйства.

Теоретическая значимость работы состоит в получении математических зависимостей, позволяющих соотносить кинематические параметры лесной сеялки на базе средств малой механизации и энергозатрат на действие агрегата, а также влияние параметров магнитного потока перед посевом на эффективные показатели сеянцев.

Практическая значимость работы заключается в проведении испытаний и предложении путей дальнейшего совершенствования обработки семя магнитным полем при посеве семян ели разработанной конструкцией.

Результаты могут быть рекомендованы для промышленного высева семян на труднодоступных территориях. Итоги работы могут быть полезны организациям и учреждениям, занятых совершенствованием лесовос-становительной техники и в учебных заведениях.

Положения, выносимые на защиту

1. Структура посевного агрегата на базе средств малой механизации.

2. Математическая модель влияния на параметры сеянцев в открытом грунте фактора магнитной индукции, перед высевом семян в почву.

3. Экспериментальные методы осуществления процесса функционирования посевного агрегата и методы обработки информации.

4. Результаты экспериментальных исследований в виде закономерности изменения рассматриваемого параметра сеянцев от фактора магнитной индукции перед попаданием семени в почву.

Степень достоверности результатов обеспечивается аргументированностью принятых допущений и использованием современных методов исследований, использованием методов математической статистики, а также актом внедрения об использовании результатов диссертационной работы.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены на конференциях профессорско-преподавательского состава (Архангельск, 2007), IX Международной молодежной научной конференции «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ» (Сыктывкар, 2008), профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Северного (Арктического) федерального университета им. М.В. Ломоносова, посвященной Дню российской науки «Развитие северо-Арктического региона: проблемы и решения» (Архангельск, 2012) на международной конференции «Развитие северо-Арктического региона: проблемы и решения» (Архангельск, 2013).

Объектом исследования является сеялка для посева семян ели с обработкой посевного материала магнитным полем на базе средств малой механизации и результаты ее работы.

Предметом исследования является математическая модель, методы и алгоритмы поиска оптимальных конструктивных и технологических параметров лесной сеялки.

Методы исследования. При написании работы были использованы следующие методы: метод обобщения данных и системный анализ, математического анализа и статистики, методы оптимизации, метод вариационной статистики с использованием регрессионного анализа, структурно-функциональное моделирование. Использовались лицензированные программные продукты AUTO CAD 2009, Microsoft Excel 2010, Math CAD.

Реализация результатов. Обоснованный и разработанный экспериментальный образец лесной сеялки был использован в процессе посева ели обыкновенной в условиях Территориального органа департамента лесного комплекса Архангельской области Архангельском лесничестве, что подтверждено справкой о внедрении результатов диссертационной работы.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе четыре в изданиях по списку ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 99 наименований, в т.ч. 8 на иностранном языке, 3 приложений. Основное содержание работы изложено на 156 страницах и включает 51 рисунков, 13 таблиц.

Личное участие автора. Все исследования по теме диссертации от сбора материала, его анализа, разработки и сборки экспериментальной образца лесовосстановительной техники и обработка опытных данных осуществлены автором или при его непосредственном участии.

Благодарности. Автор благодарит своего научного руководителя доктора технических наук Мясищева Д.Г. за всестороннюю помощь в работе над диссертацией. Автор выражает также признательность Рогалеву С.П. за помощь в воплощении экспериментального образца сеялки.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена актуальность темы диссертации, сформулирована ее цель, научная новизна. Представлена научная и практическая значимость. Отражены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ» произведен анализ различных конструкций лесных сеялок российских авторов, зарубежных и проведен обзор и анализ современных научно-исследовательских работ.

Конструкции и особенности лесовосстановительной техники, работающей на открытом грунте рассмотрены в таких работах российских авторов как Г.А. Ларюхин, А.И. Баранов, В.В. Ильяков, Н.М. Набатов, П.П. Корниенко, И.М. Зима, Т.Т. Малюгин, Г.А. Ларюхин, Г.А. Климов, А.Б. Клячко, Г.П. Ильин, A.C. Ишмаметов, Ю.И. Федоров, М.С. Метальников, В.Н. Винокуров, Г.В. Силаев, A.A. Золотаревский, М.П. Албяков, Л.А. Резников, В.Т. Ещенко, Г.Н. Дьяченко, М.К. Асмоловский, В. Н. Лой, A.B. Жуков и др. Так же этот вопрос рассмотрен следующими иностранными авторами John Larson, Richard Hallman, Gary Kees, Brad Campbell и др., a так же представлен в электронном виде на сайтах современных компаний.

Современная тенденция разработанных конструкций показывает, что в последнее время все большую актуальность приобретают сеялки, используемые с целью лесовосстановления на труднодоступных территориях, где габаритная техника не может осуществлять свою деятельность или куда она не может быть доставлена.

На основании проведенного анализа были сформулированы цель и задачи исследований, указанные выще.

Во второй главе «ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ СЕЯЛКИ НА БАЗЕ СРЕДСТВ МАЛОЙ МЕХАНИЗАЦИИ» приведено обоснование процесса посева в качестве способа лесовосстановления согласно ведущим ученым - исследователям - лесоводам Мерзленко М.Д., Редько Г.И., Бабич H.A., Наквасина E.H., Бердицкая Т.В., Орлов Ф.Б., Малаховец П.М., Смирнов H.A., TJ. Hodgson, D. G. M. Donald и обоснование применения средств малой меха-

низации как базы для лесной сеялки согласно работам Рудника A.M. и Мя-сищева Д.Г., а также согласно особенностям условий применения данной техники.

На данном этапе определен рациональный набор узлов и механизмов лесной сеялки и получена ее структурная модель, на базе средств малой механизации, для лесовосстановительных работ (высев семян ели обыкновенной) на дренированных почвах.

На основании сбора информации и обобщения данных были выделены следующие функции будущей модели:

- работа на дренированных вырубках, также и под пологом крон деревьев;

- обеспечение необходимых агротехнических требований к посеву

ели.

В результате системного анализа и обработки данных по лесным и сельскохозяйственным агрегатам был выдвинут необходимый минимум узлов и механизмов для высева под пологом леса с использованием средств малой механизации: тяговый модуль, почвообрабатывающее орудие (плуг, сошник), высевающий аппарат, бункер для семян, семяпровод, схема компоновки навески (присоединения) оборудования.

Было принято решение о совмещении некоторых функций плуга и сошника в одном сферическом диске. Так из функций плуга сферический диск будет обеспечивать заглубление с учетом лесной подстилки и частичное рыхление почвы, из функций сошника диск должен обеспечивать укладку семян на заданную глубину.

Диаметр диска рассчитан по условиям обеспечения заданной глубины обработки почвы, свободного перекатывания через препятствия и надежного оборота пласта, согласно Нартову П.С.

Исходя из выполненных расчетов диаметр диска принимаем D= 0,480м.

Применив структурно-функциональное моделирование получена следующая компоновочная схема прицепного модуля (рисунок 1).

С учетом особенностей средств малой механизации было решено не навешивание, а именно агрегатирование оборудования на тяговый модуль в виде отдельного прицепного модуля, скомпонованного на отдельной раме - это позволит использовать данную систему с широким диапазоном тяговых модулей различных средств малой механизации и воспользоваться остальными известными преимуществами данной компоновки.

В качестве тягового модуля в данной работе был использован экспериментальный мотоблок «Сиверко» (конструкция АЛТИ - САФУ).

С целью обеспечения магнитного импульсного поля, используемого как возмущающий фактор в эксперименте была применена кривая наискорейшего спуска - брохистохрона. Ее параметры, помимо конструкции прицепного модуля также определялись внешними факторами, такими как рельефность местности, захламленность и пр.

к тяговому модулю

/ У

Рисунок 1 - Прицепной модуль к средствам малой механизации: 1- дисковый сошник; 2 - высевающий аппарат; 3 - бункер для посевного материала; 4 - опорное колесо; 5 - семяпровод; 6 - постоянный магнит.

Данная модель была спроектирована после определения основных технологических параметров. На основании конструктивных и технологических расчетов изготовлена экспериментальная установка лесной сеялки на базе средств малой механизации с целью лесовосстановительных работ (рисунок 2, 3).

Для конструктивных расчетов была составлена математическая модель посевного агрегата. Эта модель включала помимо динамических и статических величин еще и технологические, связанные с резанием почвы.

Одним из основных параметров, характеризующих почву, и как следствие силу сопротивления резанию является показатель удельного сопротивления почвы резанию. Интерес представляет снижение энергозатрат на резание в привязке всех параметров к лесной сеялке, используемой на вырубках на базе средств малой механизации.

сеялки

Рисунок 2 - Навеска на тяговый модуль прицепного модуля лесной

Приведено рассмотрение задачи определения оптимального сочетания параметров сошника сеялки. Конечным результатом ожидается минимизация удельного расхода топлива в результате снижения сопротивления резанию почвы как основного показателя энергозатрат в привязке всех параметров к лесной сеялке, используемой на вырубках на базе средств малой механизации.

Согласно работе группы авторов в составе В.И. Ветохина, И.М. Панова, В.А. Шмонина, В.А. Юзбашева рассмотрено сопротивление почвы резанию ротационным рабочим органом в общем случае, которое можно выразить следующей зависимостью

Р = /(а,т,р,р,№,а,Ь,*,У,У0,Уа) (1)

где а, т - предельные напряжения растяжения (сжатия и сдвига); р, р, IV - плотность, твердость и влажность почвы;

а, Ъ, 5 - глубина, ширина резания и подача на нож; V, У о, ~ поступательная, окружная и обсалютная скорости резания.

Учтены так же исследования авторов Леонтьева Ю.П., Евсюкова С.С., которые говорят, что в результате опытов, проведенных на суглинке средней плотности была выявлена зависимость тягового усилия от глубины рыхления при различных углах резания. Анализ экспериментальных данных показал, что наименьшие значения усилий сопротивления почвы получены при углах резания а = 25°...30°. Результаты исследований Г.Н. Синеокова и опыты М.Е Мацепуро и И.В. Манюты так же позволили определить удельную энергоемкость, наименьшее значение которой получены при угле резания а = 25°.

Основываясь на данных В.И. Ветохина, И.М. Панова и др., где подробно рассмотрен процесс рыхления и другие составляющие обработки

почвы, можно говорить о реальности применения данных зависимостей к процессу закладки борозды сошником лесной сеялки.

Для определения показателя энергозатрат применительно к лесной сеялке на базе средств малой механизации использована рациональная формуля предложенная В.П. Горячкиным в виду сложности расчета отдельных составляющих силы сопротивления (1) и сложности описания технологического процесса для плугов

Р = Гв + каЬ + еаЬУ2 (2)

где Р - сопротивление на ротационных рабочих органах; /"б - сопротивление плуга при протаскивании в открытой борозде; а, Ь - глубина обработки и ширина захвата; б - вес плуга;

/' - коэффициент, эквивалентный коэффициенту трения плуга о почву; к — удельное сопротивление почвы резанию; V— рабочая скорость; е - коэффициент пропорциональности. Так как объектом исследований является сферический сошник при индивидуальном креплении рабочего органа, то воспользовавшись геометрическими и физическими формулами преобразуем выражение (2) в следующее

Р-ГлРНУд> (3)

аЪ

где к' — удельное сопротивление почвы резанию с учетом веса машины; к - пифагорово число; В - диаметр сошника; Н- толщина шарового сегмента; Ь' - толщина тела сошника; р - плотность стали; g - ускорение свободного падения

Воспользовавшись формулой (3) и результатами работы Леонтьева Ю.П., Евсюкова С.С. для определения оптимальных параметров сошника лесной сеялки сформулируем задачу оптимизации обобщив изложенные рассуждения и зависимости: определить оптимальные параметры угла атаки сферического сошника и диаметра сошника с учетом принятых ограничений его геометрии в заданных условиях работы с целью минимизации удельного сопротивления почвы резанию

тт (4)

(5)

(6)

г е {Г} (7)

где атш, атах - границы диапазона варьирования фактора а;

Ашл, Ала* - границы варьирования диаметра сферического сошника;

t - конкретные агротехнические требования к высеванию семян ели, t=const;

Г - вектор заданных агротехнических требований.

В данной оптимизации «„„„, атах приняты согласно работе Леонтьева Ю.П., Евсюкова С.С. А варьирование диаметра происходило согласно расчетам сошника, проведенным по трём условиям: обеспечению заданной глубины обработки почвы, свободное перекатывание через препятствия, надежного оборота пласта.

Приведенная задача была решена в среде MS Excel. Данная задача является многомерной и решена нелинейным методом обобщенного понижающего коэффициента для гладких нелинейных задач.

В результате получена следующая диаграмма распределения удельного сопротивления резания почвы при различных значениях а и D (рисунок 4,5).

1200,00

S

I 1000,00

со

3 800,00

О.

s 600,00

I

§ 's 400,00

£ X

О 200,00

с

S 0,00

о 940,33 943,42 945,66 947,53

л

g диаметр сошника D, мм

^ —♦—при а=17° при а=25° при а=29,03° .....и......при а=36° —&$—при а=45°

Рисунок 4 - Результат решения задачи оптимизации: зависимость удельного сопротивления почвы резанию к' от углов резания при различных диаметрах сошника

За оптимальные значения угла атаки и диаметра сошника принимаются такие, при совмещении которых показатель к' стремится к минимуму. Решение задачи оптимизации показало, что k'—> min при а=29° и при D—>max. В промежуток оптимальности входят параметры а[25°; 30°] и D [400;614].

„1, | | 1 X j

**•*■"—*»"...............•""■'

600,00 400,00 200,00 0,00

17 25 29,03 36

угол атаки а, град

«■Ф^при 0=614 мм -в—при 0=480 мм

......""" при 0=400 мм " при 0=325 мм

Рисунок 5 - Результат решения задачи оптимизации: зависимость удельного сопротивления почвы резанию к' от углов диаметра сошника при различных углах атаки

В работе авторов Антипина В.П., Власова Е.Н., Каршева Г.В., Щего-лева К.С. показана математическая модель зависимости между часовым расходом топлива двигателем от различных показателей. Одним из наиболее весомых является сила тяги. Эту зависимость можно выразить следующим образом

в= (8)

'„Л,Л „ж1,Ни

где Рк - сила тяги;

Я3 - радиус ведущей звездочки (колеса) трактора; со - угловая частота вращения коленчатого вала; 1т г\т - передаточное число и к.п.д. трансмиссии соответственно; г]дж- к.п.д. движителя;

г\1 - индикатор к.п.д. двигателя; Ни - низшая теплотворная способность топлива.

В результате применения оптимальных параметров угла атаки и диаметра сошника к математической модели (8) можно говорить о снижении удельного расхода топлива тягового модуля.

В третьей главе «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ» приведены научные аспекты по обоснованию кривой наискорейшего спуска траектории семяпровода в качестве фактора, способствующего образованию магнитного импульсного поля путем применения постоянных магнитов для повышения эффективности леовосстановления путем влияния данного фактора на всхожесть и другие параметры сеянцев.

В настоящее время широко известны различные способы стимулирования сеянцев растений. К физическим методам стимуляции относят воздействие различного рода излучений в том числе магнитное. Достаточно активно используется фактор магнитного излучения, который даёт положительный эффект на параметры сеянцев и саженцев разных растений.

Согласно исследованиям, проводимым Буториной А.К., Касьянова Г.И. и др. по обработке посевного материала импульсными магнитными полями можно говорить об относительной эффективности данного метода.

Опираясь на научные изыскания и экспериментальные данные, было выдвинуто предположение о положительном эффекте на параметры всходов ели обыкновенной при их предпосевной обработке импульсным магнитным полем с напряженностью соизмеримой с внутренними магнитными полями, непосредственно перед попаданием в почву.

Для осуществления данной концепции в условиях мелклконтурных вырубок с помощью средств малой механизации можно воспользоваться задачей И. Бернулли о брахистохроне.

К моменту, когда расстояние от начального положения точки О по вертикальной оси Оу прямоугольной системы координат Оху будет равно у, точка потеряет потенциальную энергию, которая уменьшится на ищу (ш - масса точки, g - ускорение свободного падения). Кинетическая энергия увеличится при этом на пти2/2 (ъ - скорость точки). В силу закона сохранения энергии (ведь трение отсутствует) имеем

ту2 ,пч

— = тду. (9)

Отсюда находим, что

у = у[2ду- (Ю)

Далее, предполагая, что траектория движения есть кривая, имеющая вид у = у (я), причем у(х) - гладкая функция, определенная на отрезке [а;Ь], обозначим через в длину пройденного точкой пути, а через I - время, то получим

_ ££ _ ^1+(у02<1х

У ~ м ~ м ^ '

Так как йЬ - дифференциал длины дуги кривой, следовательно

= VI + (УУЛх, (12)

Известные координаты начальной и конечной точек дают краевые условия для функции у(х):

у(0) = 0; у(Ь) = ув. (13)

Таким образом, нужно найти гладкую функцию у(х), для которой I—>Ш1П при краевых условиях (7).

Следовательно, вопрос Бернулли сводится к решению следующей математической задачи на экстремум:

/0Ь ¿х -» т/, у(0) = 0; у(Ь) = ув. (14)

Согласно подхода Тихомирова В.М. решение задачи (14) имеет место в семействе циклоид: циклоида, дающая сильный минимум.

Применительно к исследуемому объекту нас интересует только одна циклоида, подходящая под условия ограничений в соответствии с предлагаемой конструкцией.

Расчет и построение данной циклоиды осуществлялись при помощи лицензионной программы МаЛСАБ. Эта кривая приведена на рисунке 6.

90

270

Рисунок 6 - Построение циклоиды в полярных координатах

Однако, для производства семяпровода необходимо отобразить данную кривую в декартовых координатах (рисунок 7).

80

79.577

60 ■ 40

20

Рисунок 7 - Циклоида в декартовых координатах

Основываясь на изысканиях Верова С.Г. и обыкновенной логики: не любая циклоида может считаться брахистохроной, а лишь часть арки (или арка) циклоиды перевернутой вниз.

Исходя из выше приведенных расчетов, определений и построений был изготовлен семяпровод, на конце которого закреплялись магниты с соответствующей магнитной индукцией.

Процесс спуска семени по семяпроводу в виде брахистохроны, с его облучением постоянным магнитом с определенной индукцией представлен на рисунке 8. Магнитная индукция постоянного магнита пронизывает семя в ходе его прохождения по кривой наискорейшего спуска, тем самым облучая семя.

Рисунок 8 - Процесс спуска семени по семяпроводу в виде брахистохроны при его облучении постоянным магнитом

Магнит имеет постоянное поле, а индукция является характеристикой данного поля. В предлагаемой конструкции для получения импульсного магнитного поля использовалась кривая наискорейшего спуска. Так облучение семени импульсным магнитным полем происходит путем движения семени по брахистохроне и прохождением магнитного постоянного поля на скорости.

Применительно к проектируемому модулю посевного агрегата уравнение этой циклоиды будет выглядеть следующим образом

х = 80(1 -sin-)

, = 80(l-cos¡). °5)

В четвертой главе «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ» представлены и проанализированы экспериментальные данные.

В научной современной литературе активно рассматривается воздействие на семена растений различных стимуляторов роста, в том числе химической и физической природы активно используется в сельском и лесном хозяйствах для увеличения различных параметров растений и, как следствие, их продуктивности.

Постоянные факторы в экперименте: тип почвы и ее состояние; угол атаки сошника посевного агрегата а; диаметр сошника посевного агрегата; скорость движения посевного устройства.

Переменный фактор: магнитная индукция, Тл. Величина и диапазон данного фактора обусловлен лабораторной базой и исследованиями Буто-риной А.К., Жолобовой М.В. и др.

Точность измерений переменного фактора обеспечивается устройством «Магнитометр», тарированным лабораторными магнитами с заранее известной магнитной индукцией, предел допустимой погрешности измерений составляет 0,25 мТл.

Опытная установка представляет собой навесной модуль в виде посевного агрегата на средства малой механизации. Данный агрегат состоит из рамы навески, сошника, опорного колеса и высевающего аппарата, включающего в себя высевающий барабан с приводом от опорного колеса, бункер для семян и семяпровода в виде брахистохроны.

Порядок работы на данном агрегате следующий: в бункер засыпаются семена, устанавливаются магниты с необходимой магнитной индукцией на конце семяпровода, средства малой механизации приводится в действие при помощи стартера. После, один оператор, управляя СММ, производит высев по заранее намеченной траектории. При передвижении СММ опорное колесо вращается, приводя тем самым высевающий барабан в действие. Семена, проходя по семяпроводу попадают в магнитное поле с определенной магнитной индукцией, облучается и попадает в почву.

Данный раздел посвящен изучению эффективности предлагаемого магнитного импульсного излучения для предпосевной обработки семян

15

ели обыкновенной в ходе высева, а так же получению регрессионных уравнений для определения оптимального фактора воздействия на семена с позиции оптимальной продуктивности.

Были использованы следующие методы работы: метод вариационной статистики с использованием регрессионного анализа, метод оптимизации и метод обобщения данных и системного анализа.

Были поставлены опыты: семена ели обыкновенной 1 сорта согласно пробным высевам семенной станции, были высеяны в открытый грунт без замачивания.

Работа по подготовке эксперимента также заключалась в подборе соответствующего участка вырубок. Место проведения эксперимента согласовывалось с Архангельским лесничеством.

Эксперимент проводился на суглинистых дренированных почвах. Высевание семян производилось экспериментальной лесной сеялкой оригинальной конструкции с учетом агротехнических требований к посеву ели (рисунок 9).

Рисунок 9 - Проведение эксперимента на заданных условиях

Высев был произведен строчно-луночньтм способом. Длина строк составляла 9,5 м. Шаг посева составил 62 см. Расстояние между строчками - 150см, так как размещение посевных строчек должно обеспечивать нормальное развитие сеянцев. Посев осуществлялся в середине июня, согласно научным изысканиям Ф.Б. Орлова для Архангельской области.

Было поставлено три опыта с применением магнитного излучения при его пошаговым изменении: №1 - магнитная индукция Н = 8мТл; №2 -Н =16мТл; №3 - Н = 24мТл. Частота магнитного поля не учитывалась, так как использовались постоянные магниты. Точность измерения магнитной индукции поля обеспечивал прибор «Магнитометр», тарированный эталонными постоянными магнитами. Так же был произведен контрольный высев без применения магнитного поля. В данном случае магниты на сеялку не устанавливались.

Эксперимент показал, что почти по всем показателям максимальное отклонение от контрольной группы дал опыт №1. При этом наибольшее отклонение от контрольной группы был замечен в случае параметров «высота стволика» и «диаметр стволика». В данном опыте наблюдается увеличение показателей сеянцев по всем параметрам, при этом средний прирост в показателях опытной группы №1 составил 123% (таблица1).

В опыте №3 наблюдается максимальный прирост параметра «длина главного корня» до 72%. Однако в данном опыте имеется и отрицательная тенденция в случае параметра «диметр главного корня»: снижение составило 21% (таблица 1).

Максимальная всхожесть семян наблюдается в опыте №3 и составляет 12,5%, что на 30% превосходит контрольный результат. Невысокие показатели всхожести в общем связаны с неблагоприятными условиями, так как высев производился непосредственно в грунт без предварительной обработки почвы.

Таблица 1- Показатели сеянцев в ходе проведения эксперимента

Опыт Фактор Всхожесть Показатель Среднее отклонение от контрольной группы

Хвоя Ко рень Стволик

длина, мм длина, мм диаметр, мм высота, мм диаметр, мм

Контроль 9,4% 18,7 38,7 0,6 13,0 0,7

№ 1 8мТл 9,5% 24,0 52,3 0,8 72 1,2

отклонения от контроля 0,1 28,57% 35,34% 47,06% 453,85% 63,64% 123,28%

№ 2 16мТл 6,9% 23,0 60,4 0,6 68,5 1,2

отклонения от контроля -2,5 23,21% 56,21% 5,88% 426,92% 60,91% 113,24%

№ 3 24мТл 12,5% 22,5 66,5 0,5 65,5 0,9

отклонения от контроля 3,1 20,54% 71,98% -20,59% 403,85% 22,73% 100,83%

Примечание. Диаметр корня приведен средний. Диаметр стволика измерен у корневой шейки. Значения параметров всходов приведены в среднем по группе.

Результаты эксперимента высева семян ели в грунт в возрасте одного года, обработанные согласно методикам авторов Редько ГИ., Наквасиной E.H. и Бердицкой И.В.

Также помимо указанных данных был отмечен такой показатель, как количество боковых корней, так как он является неотъемлемым при выживании сеянца в открытом необработанном грунте. Так в контрольной группе не наблюдались боковые ответвления, в эксперименте №1 наблюдалось в среднем 6 боковых ответвлений, а в эксперименте №2 и 3,в среднем, по 7 боковых корней. Данная характеристика также показывает влияние фактора магнитного импульсного излучения на сеянец.

Исходя из полученных данных, было выдвинуто предположение о существовании зависимости между параметрами всходов и индукцией импульсного магнитного поля.

Для определения уравнений регрессии описанных выше параметров использовался такой метод регрессионного анализа как полиномы Чебы-шева.

Уравнение регрессии, выраженное через полиномы Чебышева имеет следующий вид

у = Ь0Р0 (*) + V, (х) +... + ЪкРк (*) (15)

где Рк(х) - многочлены полинома Чебышева на множестве точек хи х2, ...,

х„\

х - величина фактора, применительно к рассматриваемому случаю -фактор магнитного потока, мТл;

Ьк - коэффициенты уравнения регрессии;

к - степень уравнения регрессии.

Общее уравнение согласно степени полинома определяется так

рк+1« = - ^йзЧ-1 м (16)

(17)

Р2М = х2-{п + 1)х + 1п+1^п+2) (18)

РзМ = х3- + еп*+1вп+их_ (п+1)(п-ь2)(п+з) и т д (19)

В ходе применения данного регрессионного анализа были получены следующие уравнения регрессий для выше рассмотренных параметров всходов ели:

- всхожесть: у0 = 2,8 +0,02Н, (Я=0,3, е=0,9);

- длина хвои: у, = 20,95+0,13Н, (11=0,6, е=0,66);

- длина главного корня: уг = 45,32+1,15Н, (Я=1, е=0,03);

- диаметр главного корня: у3 = 0,66-0,01Н, (Я=0,5, е=0,78);

- диаметр стволика: у4 = 0,003Н2 +0,076Н +0,76, (Я=1, е=0,02);

- высота стволика: у5 = 39,35+1,92Н, (Я=0,7, е=0,5), Где Н — величина магнитной индукции, Тл;

Я — множественный коэффициент корреляции; е - величина, характеризующая силу связи.

Все уравнения проверены по критерию Фишера и согласно ему определен порядок уравнения регрессии.

Обобщая полученные уравнения регрессии был произведен их анализ, на основании которого можно говорить о подтверждении предположения о существовании зависимости между параметрами всходов и напряженностью полученного импульсного магнитного поля.

Далее была определена обобщающая зависимость по всем параметрам - степени влияния и положительного изменения всех рассмотренных параметров сеянцев. Она имеет вид

У = 0,003Я2 + 3,48Я +129,27 (20)

Величина У показывает степень влияния величины фактора магнитного потока на систему показателей оценки сеянцев.

На основании уравнения (25) была поставлена задача оптимизации У(Я) —» шах (21)

ЧН) = У0+Ух+У2+У1+У*+У> (22)

Ят,„<Я<Ятах (23)

где Hmi„, Нтах - границы диапазона варьирования фактора Н согласно эксперименту;

Уо> Уь •■•> У5— уравнения регрессий параметров сеянцев;

Приведенная задача была решена в среде MS Excel. Данная задача решена нелинейным методом обобщенного понижающего коэффициента для гладких нелинейных задач.

На основании анализа была найдена линия тренда совокупных данных от магнитного импульсного излучения при всех использованных нами факторах напряженности магнитного поля (рисунок 10).

Линейная (у)

Н, мТл

Рисунок 10 - Тренд зависимости степени влияния и изменения всех рассмотренных параметров сеянцев при увеличении величины фактора магнитного потока

Из приведенных данных можно сделать вывод о возрастающей зависимости степени влияния и положительного изменения всех рассмотренных параметров сеянцев при увеличении величины фактора магнитной индукции в исследованном диапазоне его значений. На основании экспериментальных данных и их анализа выявлена линейная связь между общей степенью влияния магнитной индукции на общую систему параметров всходов в заданных диапазонах факторов.

В результате получен оптимальный параметр напряженности импульсного магнитного поля Н = 24 мТл для данного эксперимента, так как Y—> max при Н—> max. Однако в этом случае нельзя забывать о возможной мутации генов, что следует отнести к предмету возможных специальных исследований.

Также необходимо отметить, что данный вид предпосевной обработки семян магнитным полем близким к импульсному в заданном диапазоне магнитной индукции сопоставим с результатами выращивания ели на первом году жизни в переносных теплицах для целей лесовосстановления, согласно результатам влияния на параметры сеянцев (за исключением всхожести) согласно исследованиям автора Смирнова H.A.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Эксперимент, проведенный в условиях вырубок с применением посевного агрегата на базе мотоблока, показал возможность использования данного устройства при лесовосстановлении на мелкоконтурных территориях.

2. Оптимальными размерами диаметра дискового сошника в условиях применения мелкоконтурных вырубок с навеской на средства малой механизации и является величина от 400 до 614мм согласно оптимизации по параметру энергозатрат.

3. Оптимальная величина угла атаки сошника согласно теоретическим данным при варьировании диаметра сошника для конкретных условий, находится в диапазоне от 25° до 30°, что подтверждается решением задачи оптимизации по показателю энергозатрат.

4. Экспериментальные исследования подтвердили, что при обработке семян ели обыкновенной в ходе посева магнитным полем приближенным к импульсному с магнитной индукцией 24мТл в исследованном диапазоне наблюдаются наилучшие параметры сеянцев.

5. Согласно экспериментальным данным наилучшая всхожесть при обработке семян ели магнитным импульсным полем получена при магнитной индукции 24мТл и составила 12,5%.

6. Получены уравнения регрессии параметров сеянцев от фактора магнитной индукции, которые могут быть использованы в дальнейших подобных исследованиях.

7. Характер полученных моделей и методик позволяет их использовать для аналогичных посевных агрегатов на базе средств малой механизации.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Хинчук Д.Г. Влияние магнитного излучения на параметры сеянцев ели обыкновенной [Текст]/ Лесной журнал, 2014, №6.

2. Хинчук Д.Г., Хинчук К.Е. Предпосевная обработка семян ели обыкновенной лазерным излучением и его влияние на параметры всходов [Текст]/ Тракторы и сельхозмашины, 2013, №4. - С. 33-35.

3. Хинчук Д.Г. Обоснование конструкции лесной сеялки на базе средств малой механизации [Текст]/ Вестник машиностроения, 2013, №8. - С. 87-88.

4. Хинчук Д.Г., Хинчук К.Е. Обоснование параметров лесной сеялки, оснащенной сферическим сошником, при посеве ели в условиях дренированных вырубок [Текст]/ Лесной журнал, 2013, №5. - С.124-128.

5. Хинчук Д.Г. Постановка задачи оптимизации высевающего аппарата лесной сеялки с учетом фактора магнитного потока [Текст]/ Охрана

окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов : сб. научных трудов. Вып. 73 / Арх. гос. тех. ун-т. - Архангельск : Изд-во АГТУ, 2007. - 281 с. - С. 252 - 257.

6. Хинчук Д.Г. Обоснование способа посева при лесовосстанов-лении в условиях мелкоконтурных вырубок и под пологом леса. [Текст]/ Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов : сб. научных трудов. Вып. 73 / Арх. гос. тех. ун-т. - Архангельск : Изд-во АГТУ, 2007. - 281 с. - С. 246 - 252.

7. Хинчук Д.Г. Метод лесовосстановления в условиях мелкоконтурных рубок и под пологом леса при помощи средств малой механизации с учетом фактора магнитного потока [Текст]/ IX международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех-2008»: материалы конференции (19-21 марта 2008 г., Ухта): в 3 ч.; ч. 1. - Ухта: УГТУ, 2008.-400 с. - С.

8. Хинчук Д.Г., Хинчук К.Е. Решение пространственной компоновки прицепного модуля лесной сеялки при использовании средств малой механизации [Текст] / Развитие Северо-Арктического региона: проблемы и решения: материалы научной конф. проф.-препод, состава, научных сотрудников и аспирантов САФУ им. М.В. Ломоносова, посвященной Дню российской науки (Архангельск,6-9 февраля 2012г.): в 2 ч. сост. П.А. Ра-менский; Сев. (Арктич.) федер. ун-т им. М.В. Ломоносова. - Архангельск: ИПЦ САФУ, 2012. - 4.1. - 284с,- С. 127-128.

9. Хинчук Д.Г. Планирование и проведение эксперимента по ле-совосстановлению в условиях мелкоконтурных рубок с учетом фактора магниитного потока [Текст]/ Развитие Северо-Арктического региона: проблемы и решения: материалы междунар. конф. посвящ. 180-летию научного издания «Лесной журнал» / сост. Е.В. Антипина, C.B. Рябченко; Сев. (Арктич.) федер. ун-т им. М.В. Ломоносова. - Архангельск: ИД САФУ, 2014.-303с.-С. 261-263.

Подписано в печать 22.10.2014. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №3061.

Издательский дом САФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56