автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Параметры и конструкция технологического оборудования для переработки кедровых шишек в труднодоступных районах Сибири

На правах рукописи

005060599

""-»'йа;

ДЫР ДИН СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ПАРАМЕТРЫ И КОНСТРУКЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ КЕДРОВЫХ ШИШЕК В ТРУДНОДОСТУПНЫХ РАЙОНАХ СИБИРИ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О МАЙ 2013

Красноярск - 2013

005060599

Работа выполнена на кафедре «Автомобили, тракторы и лесные машины» Сибирского государственного технологического университета

Научный руководитель: Невзоров Виктор Николаевич, доктор

сельскохозяйственных наук, профессор

Официальные оппоненты: Лозовой Владимир Андреевич, доктор

'технических наук, профессор

Бутылкин Владимир Иванович, кандидат технических наук

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Братский государственный

университет», г. Братск

Защита диссертации состоится «14» июня 2013 г. в 10— часов на заседании диссертационного совета Д 212.253.04 при Сибирском государственном технологическом университете по адресу: 660049, Красноярск, пр. Мира, 82, ауд. Ц-110.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного технологического университета.

Автореферат разослан « 8 » мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

А. В. Мелешко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Принятая стратегия «Развития лесного хозяйства России до 2020 года» предусматривает активное обеспечение производства репродукционных материалов (семена, сеянцы, саженцы) для лесовосстановления кедровых лесов. Для реализации программы в Красноярском крае было заготовлено семян кедра сибирского: 2007 г. -16000 кг, 2008 г. - 20 000 кг, 2009 г. - 13 630 кг, и в перспективе до 2020 года объем заготавливаемого семенного ореха требуется довести до 23 000 кг.

Сосна сибирская кедровая (Pinus sibirica Du Tour.) является одной из самых ценных лесообразующих пород России. По состоянию на 2012 год кедровые леса в нашей стране произрастают на площади 36 млн. га.

За последние 150 лет южная граница сибирских кедровых лесов отступила на 30 - 50 км к северу, а естественные насаждения сохранились только в горных и труднодоступных местах. Основными регионами для заготовки кедрового ореха являются Республики Алтай (29,7 %), Тыва (44,8 %), Бурятия (9,3 %), Хакасия (29,3 %), Красноярский край (16,4 %), Иркутская (11,9 %), Томская (20,7 %), частично Кемеровская (6,5 %) и Омская (5,2 %) области.

Наибольшее количество кедровых насаждений в данных регионах произрастает на высоте от 1250 до 2170 м над уровнем моря, что затрудняет заготовку кедрового ореха.

Существующее современное технологическое оборудование не приспособлено для работы в горных и труднодоступных районах Сибири, в местах естественного произрастания кедра, не позволяет достичь заготовки высокого качества кедрового ореха с учетом их фракционного состава.

В этой связи возникла необходимость разработки переносного модульного оборудования для переработки кедровых шишек и выделения кедрового ореха при заготовке в горных и труднодоступных районах.

Работа выполнена по госбюджетной научно - исследовательской тематике Сибирского государственного технологического университета, проводимой по заданию Министерства образования РФ «Биотехнические основы безопасности технологического оборудования для лесовосстановления» № НИР 1.6.01., код ГРНТИ 68.47.43,66.19.17, а так -же госбюджетной НИР, проводимой по заданию Федерального агентства по образованию «Изучение биотехнологических и динамических процессов в системе лесных машин при формировании основ рационального природопользования» № НИР 1.9.05. Код ГРНТИ 68.47.43, 66.19.17.

Цель работы - исследовать рабочие процессы и разработать малогабаритное модульное оборудование для многоступенчатой очистки и сортировки кедрового ореха.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести функциональное исследование рабочего оборудования необходимого для выполнения полного цикла переработки кедровых шишек;

2) исследовать размерные показатели кедровых шишек и ореха для многоступенчатой очистки с получением размерных зависимостей;

3) разработать математическую модель процесса разделения кедрового вороха на горизонтальном просеивающем решете;

4) определить влияние кинематических параметров и режимов работы на процесс разделения кедрового вороха посредством разработанного механизма привода решет;

5) выполнить технико-экономическое обоснование применения модульного малогабаритного оборудования по разработанной технологии многоступенчатой очистки и сортировки кедрового ореха.

Объектом исследования является технологический процесс переработки кедровых шишек на месте заготовки путем применения малогабаритной модульной установки.

Предмет исследования — выявление закономерностей процессов разделения вороха на горизонтальных просеивающих решетах и сортирования кедрового ореха на цилиндрических вращающихся решетах.

Методы исследования. Исследования выполнялись на основе комплексных лесоводческих требований к заготовке семенного, пищевого и технического ореха с соблюдением норм экологической защиты кедра и окружающей среды.

В качестве основных методов теоретических исследований в диссертационной работе принято математическое моделирование сложных систем с применением современных математических алгоритмов для численных и аналитических расчетов теории планирования активного эксперимента с использованием пакета прикладных программ (111111) Statgrapchics, АРМ САМ. Обработка результатов проводилась с использованием аппарата математической статистики программами Statgrapchics, Matlab и Excel.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые дана комплексная оценка переработки кедровых шишек малогабаритной модульной установкой (патенты РФ №2310352, №2462104) в труднодоступных местах произрастания кедра.

Разработана математическая модель идентификации шишек и орехов в зависимости от их параметров.

Получены аналитические зависимости механического разделения фракций вороха по массе на горизонтальном решете методом планирования и реализации полнофакторного эксперимента.

Определены энергетические показатели установки при движении вороха с различной массой, амплитудой и частотой колебаний на горизонтальном решете.

Практическая значимость

1 Разработано новое переносное модульное оборудование для переработки кедровых шишек в горных труднодоступных районах Сибири с обеспечением фракционного разделения кедрового ореха.

2 Выявлены и приведены аналитические зависимости, позволяющие оценить влияние кинематических и конструктивных параметров движения горизонтального решета на разделение кедрового вороха.

3 Полученные аналитические зависимости и конструктивные параметры могут быть использованы для проектирования и изготовления малогабаритного оборудования по переработке кедровых шишек.

На защиту выносятся:

1 Технические и конструктивные решения на основе малогабаритного модульного оборудования, защищенные патентами РФ № 2310352, № 2462104 на изобретение.

2 Математическая модель, описывающая процесс разделения кедрового вороха на горизонтальных просеивающих решетах.

3 Конструкция и рабочие параметры механизма привода решет для многоступенчатой очистки и сортировки кедрового ореха.

4 Результаты экспериментальных исследований и экономическое обоснование эффективности малогабаритного оборудования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на семинарах и заседаниях кафедры «Автомобили, тракторы и лесные машины» Сибирского государственного технологического университета (Красноярск, 2004 - 2012); Всероссийской научно-практической конференции «Лесной и химический комплексы: проблемы и решения» (Красноярск, 2004, 2006); Международной научно-практической конференции «Лесные биологически активные ресурсы» (Хабаровск, 2007); представлены в материалах Всероссийской очно-заочной научно-практической и научно-методической конференции с международным участием «Инновации в науке и образовании: опыт, проблемы, перспективы развития» Красноярского государственного аграрного университета (Красноярск, 2011) и опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК «Вестник КрасГАУ» (Красноярск, 2010, 2012).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 работ, в том числе 2 статьи в журналах перечня ВАК, получено 4 патента РФ на изобретение (№ 2310352, № 2372816, № 2440782, № 2462104).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Общий объем работы составляет 143 страницы машинописного текста, включая 62 иллюстрации, 6 таблиц, библиографического списка, включающего 153 наименования.

Основное содержание работы

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и изложены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложены перспективы освоения ресурсов кедрового ореха в лесах Сибири. Приведен анализ существующего оборудования по переработке кедровых шишек. Проведены патентные исследования конструкций молотильных аппаратов и сортировочных устройств.

Выполненные исследования по материалам лесоустройства и литературным источникам показали, что площадь доступных для освоения орехопродуктивных кедровников в Сибирском федеральном округе составляет 7718,6 тыс. га, или 29,4 % площади кедровых лесов, остальные кедровники размещаются в труднодоступных и горных районах.

Возможные объемы заготовок значительно выше тех, которые осваиваются в настоящее время, так как остальная территория труднодоступна или недоступна для орехопромысла из-за отсутствия дорог.

Типично горные условия произрастания кедра сибирского ограничивают возможность применения агрегатных орехозаготовительных машин на базе автомобилей и тракторов, большая часть из которых, по своим конструктивно-техническим параметрам, непригодна для работы в горных и труднодоступных районах Сибири.

Вопросам разработки и исследования технологических процессов лесозаготовительных, лесохозяйственных и сельскохозяйственных устройств посвящены работы В.П. Горячкина, М.Н. Летошнева, П.М. Василенко, А.И. Таран, В.Ф. Евтягина, B.C. Быкова, И.М. Зима, В.Ф. Полетайкина, В.Н. Холопова, В.А. Лозового Г.З. Файбушевич, В.Н. Невзорова, Г. Д. Главацкого, А.К. Карабаки, Л.Т. Свиридова, Г.М. Саралидзе, Э.Н. Бусарина и др.

Анализ выполненных научно-исследовательских работ и результаты патентных исследований показали, что в настоящее время для лесного хозяйства не решены вопросы разработки средств механизации работ по заготовке кедрового семенного ореха в труднодоступных и горных районах Сибири.

На основании изучения отечественных и зарубежных конструкций устройств, осуществляющих разрушение шишки, очистки ореха и сортирование, было установлено, что известные механизмы не отвечают требованиям современных технологий по заготовке семенного кедрового ореха, вследствие чего возникла необходимость в разработке нового малогабаритного оборудования с приводом от современных энергоустановок, позволяющего повысить эффективность процесса получения семенного кедрового ореха в местах его заготовки. В связи с этим были сформулированы цель и основные задачи исследования.

Во второй главе выдвинуты основные теоретические предпосылки, определяющие возможность разделения кедрового вороха на фракции.

Разработана математическая модель движения вороха на горизонтальном решете с отделением ореха за счет разности ускорения. Произведены исследования влияния конструктивных и геометрических параметров цилиндрических решет, а также режимов их работы на процесс сортирования кедрового ореха.

Разработан технологический процесс переработки кедровых шишек, осуществляющийся в три стадии. Первая стадия происходит в вымолачивающих приспособлениях, вторая - на просеивающих решетах, и третья - в сортировочных устройствах.

При разделении вороха на горизонтальных просеивающих решетах с отделением ореха от шелухи и одновременным самоудалением вороха отходов выполняется основное необходимое условие: разность ускорений вперёд - назад колеблющегося решета (рисунок 1). При этом, если удаляемый ворох отходов (шелуха) должен удаляться вправо относительно колеблющегося (вправо - влево) решета, то решето должно перемещаться вправо с ускорением и скоростью значительно меньшим, чем при перемещении влево.

Рисунок 1 - Движение горизонтального решета в прямом и обратном направлении

Если ввести обозначение V) - скорость максимального разгона решета и Ті - время движения начального хода, то самый простой вид ускорения в данном случае кусочно-постоянный, тогда скорость перемещения решета должна быть кусочно-линейной. На первом участке

О < і < у, соответствующем разгону решета до максимума вправо, имеем (рисунки 2 - 4):

,х Т, Т, . Ті

<7V 7V ' ?V

- 0+ jolxdt = J^^-dt = -~~t\ A,

о 0*1 0

' у V ' V

Slx=0+\3lxdt=\2^tdt = ^t21 = -V,

0 0*1 1 о I

(2) (3)

где Т) — первая доля полного периода, с;

Т,

-у - вторая доля полного периода, с;

V1 - максимальная (по абсолютной величине) скорость решета, м/с; 2 V] - максимальная скорость при перемещении влево, м/с. Т

На втором участке -у < / < Г,, соответствующем замедлению решета до значения, равного нулю, имеем (рисунки 2 - 4):

У,

агх =~aix =-•?• — = -а,, 11

=К+ 'fax* = К = 2V)-2%~t,

Т, Ъ_ 11

Vt2\

. Т.,

(4)

(5)

(6)

-fa + 'jSndt^r, T. + 'j^v, -^у^т, +

7 т

1 Vi2 I 1 Vt2

= -V,T, +2V,t--£--V.T. +-V.T. =--VlT.+2V,t—!—.

4 ' ' T, 4 2 T,

На третьем участке T,<t<-Tn соответствующем разгону решета до

4

максимума влево, имеем (рисунки 2^):

Ж 8У.

а,у =—-=г- =---

Т,

4

-4а,,

#sx=0+ \a3Xdt = -Л' t = -Ä + 8V, =8V,-8^-t,

Т. T, l\

(7)

(8)

Ssx =LV,T, + '¡S3Xdt^V,T, + jfe -^t^t^VJ, +

T,

4V \' 8V, ■t-—-!-t2 II

T.

r' (9)

На четвертом участке — Т, Т,, соответствующем замедлению 4 2

решета до значения, равного нулю (движение влево), имеем (рисунки 2-4):

а4Х=^ = 8^ = 4а„ (10)

4

)а4ХА = -2Г,+8%-11' = -2У1+8^(-]0У,=-12У,+8^-1, (11)

1, 5_ I ■ 1.

Т,

т,

4 I, 4 Т,Г 4 У т, У?1 (12)

Л к, Г, -Щ/+4%2 +15У,Т, -ЦУ,Т, =9Г,Т, 4 7, 4

На остальных четырех участках - 5, 6, 7, 8 функции ах,Зх,8х

повторяются (рисунки 2 - 4).

Теперь исследуем движение частицы вороха (рисунки 2 - 4).

За основу примем положение, что частица разгоняется за время -Т, и

замедляется за такое же время до состояния покоя.

Число участков за время ЗТ) будет не восемь, как раньше, а четыре:

1 участок: от 0 до ^Т,;

3 3

2 участок: от -Т, до -7);

3 9

3 участок: от —Г, до -Г,;

р

4 участок: от -Т, до ЗТ,.

4

Т.е. величины, относящиеся к первому участку: 5/, К/, а/, ко второму участку: Б2, У2, а2, и т.д. Исходные данные: 7/ и V, - такие же, как и раньше (от них будут зависеть все остальные величины).

На первом участке, соответствующем разгону частицы вороха до

максимальной скорости вправо, имеем (рисунки 2 - 4):

У,

(13)

V,

2 _2 V,

'К1 V

'¿.Ил- 2 3 т,

■1 з т 0 ^ 11 ЗТ, \ ль? ЗТ,

(14)

(15)

На втором участке, соответствующем замедлению частицы вороха до значения, равного нулю, имеем (рисунки 2 - 4):

(16)

2 1 ЗТ, 2 ' ' ЗТ,

M ií, " ¿s ^ J " l ^ ^ (18)

8ii i

На третьем участке, соответствующем разгону частицы вороха до у

максимальной скорости -у снова вправо, имеем (рисунки 2-4):

—, (19)

3 T¡

2

} 1Х / ЗТ, ЗТ, j. ЗТ, ' ■

i1) 21'

# i';4 ' ' 4 " Ф (21)

5 ' ЗГ,

На четвертом участке, соответствующем замедлению частицы вороха до значения, равного нулю(движение вправо), имеем (рисунки 2-4):

а4Х а2Х 3 ■ у, »

I1' ''

(22)

(23)

2 ЗТ, 2 ' ЗТ,

9 'г 9 'г( 2У ) 9 ( IV, ,V

S^-TV,T, + \3ixdt--Ty,T,+ 1\2У, -^y-jV.T,

(24)

9 IV

4 ' ' ' ЗТ,

Графики, о которых говорилось выше, построены в следующей последовательности: учитывая введенные значения К/ и Т1г строится график скорости 8 х, а затем, опираясь на него, строятся графики ускорения ах и перемещения 8Х.

ЗГ, Время I с

- Перемещение решета ---Перемещение часпгцы вороха

Рисунок 2 - Проекция скорости решета и частицы вороха в разные моменты времени

По оси абсцисс время отложено в единицах величины Г/ ~ 0,21 с. По оси ординат скорость в единицах величины V; ~ 0,28 м/с.

А

П

2г,"

-Я

Врет К с

- Перемещение решета ---Перемещение часлщы вороха

Рисунок 3 - Проекция ускорения решета и частицы вороха в разные моменты времени

По оси абсцисс время отложено в единицах величины Г; ~ 0,21 с. По

V 2

оси ординат ускорение в единицах величины -4- ~ 1,33 м/с .

Л

- Перемещение решета ---Перемещение частицы вороха

Рисунок 4 - Проекция перемещения решета и частицы вороха в разные моменты

времени

По оси абсцисс время отложено в единицах величины T¡ ~ 0,21 с. По оси ординат скорость в единицах величины V¡T¡ ~ 0,06 м.

Проекцию вектора смещения частицы относительно решета найдем как разность:

где S4pX - проекция перемещения частицы относительно решета на ось ох; S,aX - проекция перемещения частицы относительно земли на ось ох; Spix ~ проекция перемещения решета относительно земли на ось ох.

maxS4pX=S4pX I Лу^-О^Т,, (26)

1=-Т, і

3

Рассмотрим через —Г,, т.е. через период:

S4PX I А Т,-0 = 3-V,T¡=23-VlT¡=2maxS4p, (27)

i=3T¡ 4 4 8

3

За каждый период t = смещение будет возрастать на одну и ту же

величину: E = S4pmax = --VlTl, шелуха все время будет удаляться вправо

8

относительно решета, т.е. в сторону его более медленного движения.

3 VT 3

є =---'—L = -A, где А - амплитуда смещения решета относительно

4 2 4

Земли.

в Л А, (28)

4

В нашем, частном случае, (устройство кулачковой шайбы с данным профилем) величины, о которых мы говорим, будут следующие: Т, ~ 0,21с, V, ~ 0,28 м/с.

Данная математическая модель позволяет определить величину смещения вороха относительно решета.

Сепарация кедрового ореха происходит в цилиндрических решетах с калиброванием по ширине на три составляющих (рисунок 5). Самый крупный орех - семенной, шириной от 8,86 до 9,15 мм, средний - пищевой в пределах 8,41 - 8,65мм, мелкий - технический орех шириной от 6,82 до

I/ - секция решета с диаметром отверстий с1, = 7,4 мм; Ь2 - секция решета с диаметром отверстий d2 = 8,9 мм; £> - диаметр цилиндрического решета; 1 - лоток для мелкого ореха; 2 - лоток для пищевого ореха; 3 - лоток для семенного ореха.

Рисунок 5 - Технологическая схема цилиндрического решета экспериментальной

установки

Решето вращается с угловой скоростью со рад/с. и перемещается с переменной горизонтальной скоростью Уг м/с. Очищенный от шелухи орех подаётся слева в цилиндрическое решето с начальной скоростью V,, м/с при помощи шнека, вращающегося вместе с цилиндрическим решетом. В процессе перемещения ореха слева направо через решето сквозь отверстия диаметром с1, проходит технический, сквозь отверстия диаметром с12 пищевой орех и затем с торца, через отверстие Д выходит семенной орех.

В третьей главе изложены методики проведения экспериментальных исследований, представлены характеристики методов и средств измерения, а также применяемого оборудования и приборов, расчетные формулы и уравнения.

Для доказательства теоретических разработок и проверки выдвинутой гипотезы излагаются результаты проведенных экспериментальных исследований на основе их планирования. В качестве метода обработки экспериментальных данных был принят план 3Л3, имеющий 27 точек при трехкратной его повторности, на основании

которого были получены математические модели для определения наилучшего выделения фракций ореха в процессе просеивания на горизонтальном решете.

В качестве объекта исследований был взят технологический процесс выделения ореха на спроектированной и изготовленной экспериментальной установке, защищенной патентами РФ № 2310352, № 2462104, схема которой представлена на рисунке 6.

15 18 19 12

1 - основание; 2 - бензиномоторная пила; 3, 14 - ременная передача; 4 - шкив; 5 - приводной вал; б, 27 - подшипники; 7 - опоры; 8, 13 - шкивы; 9-кулачковая шайба; 10, 31 - валы; 11 - молотильный аппарат; 12 - подшипники; 15 - дерево; 16 - хомуты; 17 - выходное отверстие; 18 - молотильный барабан; 19 - прутки; 20 - дека; 21 -приемный бункер; 22 - горизонтальное решето; 23 - борта; 24, 36, 37, 38 - отверстия; 25 - лоток для удаления шелухи; 26 - оси; 28 - направляющие; 29 - толкатель; 30 - возвратная пружина; 32 - шнек; 33 - муфта; 34 - цилиндрическое решето; 35 - шнековая навивка; 39 - редуктор.

Рисунок 6 - Конструктивно-технологическая схема экспериментальной установки

Для исследования влияния амплитуды колебаний горизонтального решета на отделение кедрового ореха от шелухи были спроектированы и изготовлены кулачковые шайбы с различным ходом толкателя, определяющим перемещение (амплитуду) горизонтального решета (рисунок 7).

Рисунок 7 - Кулачковые шайбы с различным ходом толкателя: а) для амплитуды 0,04 м; б) для амплитуды 0,03 м; в) для амплитуды 0,02 м

Исследования переработки кедровых шишек и разделение шелухи от ореха на горизонтальных и цилиндрических решетах проводились на экспериментальной установке в научно-исследовательской лаборатории кафедры «Автомобили, тракторы и лесные машины» СибГТУ с использованием измерительного оборудования. Информационно -измерительная система представлена на рисунке 8.

1? 11 9 10 7 6 8

1 - бензиномоторная пила; 2 - молотильный аппарат: 3 - горизонтальное решето; 4 - приемный бункер; 5 -цилиндрическое решето; 6 - тензодатчики; 7 - токосъемник; 8 - бункер; 9-блок питания; 10 - усилитель УМ - 20; 11-системный блок Р-ІІІ; 12-монитор.

Рисунок 8 - Экспериментальная установка с информационно-измерительной системой

При проведении эксперимента было принято решение изменять в опытах три фактора: х, - амплитуду колебаний, м; х2 - частоту вращения

приводного вала, Гц; х3 - подачу кедрового вороха на горизонтальное решето, кг.

Уровни варьирования факторов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Кодовое обозначение факторов

Наименование фактора Обозначение Интервал варьирования фактора Уровни варьирования ¡актора

натуральное норма; лизо-ванное нижний (-1) основной (0) верхний (+1)

Амплитуда колебаний, м А XI 0,01 0,02 0,03 0,04

Частота колебаний, Гц ! Х2, 0,25 2,67 2,92 3,17

Масса вороха, кг т хз 0,5 0,5 1,0 1,5

Частота вращения приводного вала регулировалась за счет изменения частоты вращения коленчатого вала бензиномоторной пилы, контроль велся тахометром testo. Амплитуду колебаний горизонтального решета изменяли кулачковыми шайбами, подачу кедрового вороха осуществляли, предварительно взвесив на электронных весах.

Измерение крутящего момента производилось с помощью фольговых тензорезисторов на пленочной основе, которые наклеивались на вал молотильного барабана.

Также при экспериментальных исследованиях были определены характеристики горизонтального решета, определены типоразмеры, влажность кедровых шишек.

В четвертой главе приведена статистическая обработка и проанализированы результаты экспериментальных исследований типоразмеров кедровых шишек и ореха; определена закономерность движения кулачкового механизма для перемещения кедрового вороха по горизонтальному решету; а также влияние кинематических и конструктивных параметров молотильного аппарата на процесс разрушения шишек.

Проведен статистический анализ кедровых шишек и их семян, обработка массива осуществлялась пакетом прикладных программ (111111) Statgraphics и Matlab.

Получен вид аппроксимирующей кривой в виде нормального закона распределения, гистограмма симметрична относительно математического ожидания, содержит наибольшую частоту и не содержит пропущенных классов (метод Смирнова).

Проверка кривых распределения размеров кедровых шишек и ореха по критерию Пирсона (х) показала, что принятая первоначальная гипотеза не противоречит нормальному закону распределения.

Взаимосвязь типоразмеров по геометрическим размерам и массе кедровых шишек и орехов описываются уравнениями параболы второй степени (таблица 2).

Таблица 2 - Оценка взаимозависимостей размеров кедровых шишек и орехов и их масс

Измеряемые параметры шишек и орехов Условные обозначени я Уравнение Параметр связи

X У X У

диаметр шишек длина шишек О ь у = 26,19 + 0,4715х + 0,0064х2 г = 0,93 Я2 =0,86

диаметр шишек масса шишек Э м у= -«,113 + 1,4712х - 0,0041х2 г = 0,92 Я2 =0,84

длина шишек масса шишек Ь м у = 6,0298 + 0,8262х - 0,0009х2 г = 0,86 Я2 = 0,75

ширина орехов длина орехов Ъ 1 у = 0,8838 + 1,4401х - 0,0249х2 г = 0,96 Я2 = 0,92

ширина орехов масса орехов Ъ т у= -0,1679 + 0,0719х -0,0017х2 г = 0,93 Я2 =0,87

длина орехов масса орехов 1 т у= - 0,0688 +0,0281х+0,0005х2 г = 0,91 Я2 = 0,83

Исходя из данных таблицы 2, видим, что уравнение аппроксимирующей кривой имеет вид при коэффициенте детерминации: по шишкам Д2 = 0,75 * 0,86, по орехам Я2 = 0,83 + 0,92; также высок коэффициент корреляции: по шишкам г = 0,86 0,93, по орехам г = 0,91 0,96.

Для перемещения кедрового вороха по горизонтальному решету при помощи программы АРМ САМ рассчитан и спроектирован кулачковый механизм, позволяющий воспроизводить закон движения горизонтального решета, состоящий из кулачковой шайбы и толкателя, введенных в соприкосновение друг с другом силовым замыканием - пружиной.

Исследованиями процесса отделения ореха от шелухи установлено, что наиболее важными факторами, влияющими на процесс просеивания, являются следующие параметры: амплитуда колебаний А, м (х,), частота колебаний /, Гц (х2) и масса подаваемого вороха т, кг (х3). Все остальные факторы, влияющие на данный процесс, были зафиксированы на постоянном уровне и в ходе эксперимента не изменялись и не фиксировались.

Анализ полученных данных свидетельствует об отношении процента выхода ореха по отношению к размолотой массе, он составил примерно 60 %.

В качестве метода обработки экспериментальных данных был принят полнофакторный план 3Л3, на основании которого была получена математическая модель для определения наибольшего выделения фракций ореха.

С целью оптимизации процесса и установления степени влияния варьируемых технологических факторов на выход шелухи и чистого ореха, были получены математические модели параметров процесса просеивания, которые после оценки значимости коэффициентов регрессии имеют вид:

1) для математического описания прогнозирования схода шелухи при просеивании на горизонтальном решете

у, =0,38916- 0,00503704-х,+0,00455556-х, +0,0949074-х3-0,0114074-х2, -

-0,101685- х],

Проанализируем регрессионную зависимость влияния амплитуды колебания, частоты колебания и массы вороха на выход шелухи. Согласно уравнению (29), наибольшее влияние на выходной параметр у} из всех переменных факторов оказывает х3, который соответствует подаче вороха.

Коэффициент регрессии при этом факторе а,- = 0,095, т.е. превышает все остальные коэффициенты регрессии при линейных членах уравнения. Кроме того, это влияние имеет явно выраженный нелинейный характер, так как коэффициент регрессии при квадратичном члене ау = 0,102 превышает величину коэффициента при другом оставшемся квадратичном члене уравнения более чем в 10 раз.

Вторым по значению фактором, влияющим на выход шелухи, является X], соответствующий амплитуде колебаний А. Это влияние имеет также нелинейный характер.

Третий по значению фактор х2, отражающий частоту колебаний /, имеет наименьшее влияние и принимает линейный вид.

2) для математического описания прогнозирования выхода ореха при просеивании на горизонтальном решете

уг = 0,524049 + 0,0162407 ■ х, + 0,0472963 ■ х2 + 0,265815 ■ х> - 0,0339074 ■ х* - ^ -0,0154074-х],

Из данного регрессионного уравнения (30) видим, что наибольшее влияние на выход кедрового ореха при просеивании на горизонтальном решете имеет фактор хз - масса вороха, второй по значению х2 - частота колебаний. И третий фактор - амплитуда колебаний — X] свое влияние на процесс просеивания определяет в меньшей степени.

Далее проводим оптимизацию параметров процесса просеивания на горизонтальном решете. Для этого при статической обработке данных эксперимента в качестве откликов были приняты: выход шелухи (у/) и просеивание ореха (у2). Из перечисленных выше факторов для достижения поставленной цели основным является максимальный выход ореха (у2).

Также были получены следующие значения входных параметров, обеспечивающих оптимальные условия просеивания кедрового вороха и отделение ореха от шелухи: х/ = 0,032 м; х2 = 3,17 Гц; хз= 1,5 кг.

Выполнен проверочный расчёт по у2. Подставив в уравнение регрессии значения х¡, х2 и X} для максимального параметра выхода ореха, получим:

у2 = 0,524049 + 0,0162407 ■ х, + 0,0472963 ■ х2 + 0,265815 ■ х3 -- 0,0339074 ■ х2, - 0,0154074 ■ х23 = 0,524049 + 0,0162407 ■ 0,217344 + ^

+ 0,0472963 ■ 1,0 + 0,265815 ■ 1,0 - 0,0339074 ■ 0,2173442 - 0,0154074 -1,02 = = 0,82368098689 ~ 0,823681

В натурных испытаниях действительный выход ореха составил 0,806 кг при погрешности 2,18%.

Таким образом, обработка экспериментальных значений выхода ореха подтверждают адекватность полученной математической модели процесса просеивания.

Также был определен доверительный интервал по параметру уу. при р = 0,95 он находится в следующих пределах 0,774 < 0,824 < 0,881.

Проведенный расчет подтвердил правильность выбора значения переменных пакетом прикладных программ «Statgraphics».

В результате проведенных исследований установлено, что выходные величины существенно зависят от всех управляемых факторов. Для наглядности результаты представлены на рисунке 9.

Рисунок 9 - графики на «Кубе»: а) по сходу шелухи при просеивании на горизонтальном решете; б) по выходу ореха при просеивании на горизонтальном

решете

На рисунке 10 представлен сравнительный график теоретических и экспериментальных исследований зависимости перемещения кедрового вороха от угла поворота кулачковой шайбы, согласно принятому закону движения горизонтального решета.

60 45 40 I 35

® зо

5 0

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Угол поворота кулачковой шайбы, градус

—ф— Перемещение решета - •— Теоретическое перемещение вороха

Экспериментальное перемещение вороха

Рисунок 10 - Сравнение результатов теоретических и экспериментальных

исследований

Из рисунка видно, что теоретическая и экспериментальная кривая достаточно близки и сходны по характеру. Сравнение результатов показало, что отклонение не превышает 10%, это свидетельствует об адекватности модели и возможности ее применения.

Также определено влияние, кинематических и конструктивных параметров цилиндрических решет на качество сортирования ореха. Найдена производительность установки с вращающимся цилиндрическим решетом для калибрования кедровых орехов.

В пятой главе выполнено технико-экономическое обоснование эффективности экспериментальной установки для переработки кедровых шишек в труднодоступных районах Сибири по результатам работы опытного образца в Краевом государственном казенном учреждении «Манское лесничество», Краевом государственном бюджетном учреждении «Таежинское лесничество». Экономический эффект от внедрения оборудования для переработки кедровых шишек и выделения ореха составит 24 700 рублей.

Основные результаты и заключение

В результате выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

1 Анализ существующих технологий оборудования показал, что для заготовки кедрового ореха в труднодоступных и горных районах Сибири экономически обосновано использование модульного малогабаритного оборудования с полной переработкой кедровых шишек и разделением ореха по сортовому признаку.

2 На основе статистической обработки экспериментальных данных были получены аналитические зависимости параметров изменения геометрических размеров кедровых шишек, орехов и их масс. Принята

нелинейная математическая модель взаимозависимостей. размеров кедровых шишек, орехов и их масс в виде параболы второй степени.

3 Разработана конструктивная схема и изготовлена экспериментальная установка для переработки кедровых шишек с рабочими органами в виде молотильного аппарата, колеблющихся горизонтальных поверхностей и вращающихся цилиндрических.

4 Получена математическая модель движения горизонтального решета и движения частицы вороха, позволяющая разделять кедровую массу на фракции с самоудалением шелухи.

5 Выявлен эффект, состоящий в том, что при разности ускорений горизонтального просеивающего решета в прямом и обратном направлении наблюдается одностороннее движение кедрового вороха, позволяющее отделять орех с одновременным удалением шелухи с решета.

6 Экспериментально определено, что основными параметрами, влияющими на процесс разделения кедрового вороха на горизонтальном решете, являются амплитуда колебаний А = 0,032 м, частота колебаний /=3,17 Гц. Определены конструктивные и кинематические параметры молотильного барабана, крутящий момент Мкр = 61,\ Н.м, частота вращения п = 120 мин"1. Установлено, что рабочий процесс сортирования в цилиндрическом решете экспериментальной установки кедрового ореха происходит при частоте вращения и = 22 мин'1.

7 Экономическая эффективность применения разработанной технологии полной переработки кедровых шишек на малогабаритной модульной установке в Краевом государственном казенном учреждении «Манское лесничество» за сезон составила 24 700 рублей.

Основные положения диссертационного исследования изложены в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации:

1 Дырдин, С.Н. Теория сортировки кедрового вороха на горизонтальных разделяющих поверхностях / С.Н. Дырдин // Вестник КрасГАУ. - 2010. - № 9. - С. 3 - 6. .

2 Дырдин, С.Н. Результаты исследования динамики горизонтального решета для сепарации кедрового ореха / С.Н. Дырдин // Вестник КрасГАУ. - 2012. - № 12. - С. 19 - 23.

Патенты РФ на изобретение:

3 Пат. № 2310352. Российская Федерация. МПК A23N 5/00. Переносное устройство для выделения семян из шишек / С.Н. Дырдин, И.В. Голубев, В.Н. Невзоров - № 2006105362. Заявл. 20.02.2006; Опубл. 20.11.2007. Бюл. № 32. - 5 с.

4 Пат. № 2372816. Российская Федерация. МПК A23N 5/00. Переносное устройство для выделения семян из шишек / Н.И. Куриленко,

С.Н. Дырдин, И.В. Голубев, В.Н. Невзоров - № 2008127690. Заявл. 07.07.2008; Опубл. 20.11.2009. Бюл. № 32. - 6 с.

5 Пат. № 2440781. Российская Федерация. МПК A23N 5/00. Устройство для извлечения семян из кедровой шишки и их очистки / Е.И. Максимов, В.Н. Невзоров, Н.И. Куриленко, С.Н. Дырдин, И.В. Голубев - № 2010122113. Заявл. 31.05.2010; Опубл. 27.01.2012. Бюл. № 3. -5 с.

6 Пат. № 2462104. Российская Федерация. МПК A23N 5/00. Переносное устройство для выделения семян из шишек / С.Н. Дырдин, Л.В. Кузнецова - № 2011111806. Заявл. 29.03.2011; Опубл. 27.09.2012. Бюл. № 27. - 5 с.

Статьи и материалы конференций:

7 Голубев, И.В. Оборудование для заготовки кедрового ореха / И.В. Голубев, С.Н. Дырдин, C.B. Невзоров // Вестник КрасГАУ. - 2004. -№5.-С. 154- 156.

8 Голубев, И.В. Устройство для дробления шишек и заготовки кедрового ореха / И.В. Голубев, С.Н. Дырдин, C.B. Невзоров // Лесной и химический комплексы - проблему и решения: сб. ст. всерос. науч,-практич. конф. - Красноярск, 2004. - Т. И. - С. 46 - 48.

9 Дырдин, С.Н. Технология разрушения шишек сосны кедровой сибирской при заготовке ореха / С.Н. Дырдин // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. всерос. науч.-практич. конф. -Красноярск, 2006. - T. II. - С. 45 - 47.

10 Дырдин, С.Н. Классификация технологического оборудования для дробления шишек и заготовки семенного ореха / С.Н. Дырдин // Лесные биологически активные ресурсы: мат. Третьей межд. конф. -Хабаровск, 2007. - С. 129 - 133.

11 Невзоров, В.Н. Модульное малогабаритное оборудование для заготовки семенного кедрового ореха / В.Н. Невзоров, С.Н. Дырдин, Л.В. Кузнецова // Инновации в науке и образовании: опыт, проблемы, перспективы развития: мат. Всерос. очно-заочн. науч.-практ. и науч.-метод. конф. с межд. участ. 4.2. Красноярск, 2011. - С. 6 - 8.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 660049, г. Красноярск, проспект Мира, 82, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.253.04.

Подписано в печать 07.05.2013. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,4. Изд. № 9/3. Заказ №1712. Тираж 100 экз.

Редакционно-издательский центр СибГТУ 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82 факс (391) 211-97-25, тел. (391) 227-69-91

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Сибирский государственный технологический университет»

ДЫРДИН СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ПАРАМЕТРЫ И КОНСТРУКЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ КЕДРОВЫХ ШИШЕК В ТРУДНОДОСТУПНЫХ РАЙОНАХ СИБИРИ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Невзоров Виктор Николаевич

Красноярск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................5

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...............10

1.1 Перспективы освоения ресурсов заготовки кедрового ореха в труднодоступных районах Сибири.......................................................10

1.2 Анализ существующего оборудования по дроблению кедровых шишек, очистки и сортировки кедрового ореха.....................................................15

1.3 Анализ патентных исследований по разработке новых конструкций молотильного аппарата и сортировочных устройств мобильного типа....................................................................................................24

1.4 Анализ исследований по процессу сепарации семян на плоских решетах.........................................................................................32

1.5 Цель и задачи исследований.........................................................37

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ КЕДРОВОГО ВОРОХА НА ПЛОСКИХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ И ВРАЩАЮЩИХСЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ РЕШЕТАХ.............................................................39

2.1 Теоретические исследования разделения кедрового вороха

на горизонтальных просеивающих решетах...............................................39

2.2 Движение частицы после схода с горизонтального решета...................56

2.3 Параметры механизма привода движения горизонтальных решет, обеспечивающих разделение кедрового вороха на фракции........................58

2.4 Теоретические исследования очистки и сортирование

кедрового ореха на вращающихся цилиндрических решетах......................62

2.5 Выводы......................................................................................65

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................................................66

3.1 Программа экспериментальных исследований..................................66

3.2 Методика определения типоразмеров кедровых шишек и ореха..............67

3.3 Разработка экспериментальной установки для исследования

работы молотильного аппарата...............................................................71

3.4 Разработка экспериментальной установки для исследования влияния амплитуды и частоты колебаний горизонтального решета

на процесс просеивания кедрового ореха..................................................76

3.5 Методика экспериментальных исследований движения кедрового вороха и кедрового ореха на горизонтальных и цилиндрических решетах...................................................................79

3.6 Методика математической обработки экспериментальных исследований..................................................................................83

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ......................................................89

4.1 Типоразмерные характеристики кедровых шишек и орехов................89

4.2 Закономерность движения механизма для перемещения

кедрового вороха по горизонтальному решету.......................................99

4.3 Динамические характеристики колебаний приводного

механизма горизонтального решета на качество просеивания....................103

4.4 Влияние кинематических и конструктивных параметров цилиндрического решета на качество сортирования ореха.........................114

4.5 Выводы................................................................................116

5 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА, РЕАЛИЗАЦИЯ ' РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДУЛЬНОГО

ПЕРЕНОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЗАГОТОВКИ КЕДРОВОГО ОРЕХА В

ТРУДНОДОСТУПНЫХ РАЙОНАХ СИБИРИ..........................................117

5.1 Описание технологического процесса...........................................117

5.2 Производственные испытания...................................................120

5.3 Экономический эффект от применения модульного

переносного оборудования для заготовки кедрового ореха.......................121

6 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................127

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.....................................129

Приложение 1 Данные массива по шишкам и орехам..............................144

Приложение 2 Статистический анализ обработки исходных

данных........................................................................................151

Приложение 3 Общие статистики экспериментальных данных...................160

Приложение 4 Декартовы и полярные координаты профиля

кулачка...........................................................................................165

Приложение 5 Акты внедрения.........................................................169

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Принятая правительством России стратегия «Развития лесного хозяйства до 2020 года» предусматривает активное обеспечение производства репродукционных материалов (семена, сеянцы, саженцы) для лесовосстановления кедровых лесов. Для реализации программы в Красноярском крае было заготовлено семян кедра сибирского: 2007г. - 16000 кг, 2008г. - 20000 кг, 2009г.-13630 кг, и в перспективе до 2020 года объем заготавливаемого семенного ореха требуется довести до 23000 кг [60].

Сосна сибирская кедровая (Pinus sibirica Du Tour) является одной из самых ценных лесообразующих пород России. По состоянию на 2012 год кедровые леса в нашей стране произрастают на 36 млн. га.

За последние 150 лет южная граница сибирских кедровых лесов отступила на 30 - 50 км к северу, а естественные насаждения сохранились, в основном, только в горных и труднодоступных местах. Основными регионами для заготовки кедрового ореха являются Республики Алтай (29,7 %), Тыва (44,8 %), Бурятия (9,3%), Хакасия (29,3 %), Красноярский край (16,4 %), Иркутская (11,9 %), Томская (20,7 %), частично Кемеровская (6,5 %) и Омская (5,2 %) области [17].

Наибольшее количество кедровых насаждений в данных областях и краях произрастает на высоте от 1250 до 2170 м. над уровнем моря, что затрудняет заготовку кедрового ореха.

В настоящее время отсутствует технологическое оборудование для условий эксплуатации в горных и труднодоступных районах Сибири малогабаритное по размерам, обеспечивающее получение семенного ореха в местах естественного произрастания кедра. В этой связи возникла необходимость разработки переносного модульного оборудования для переработки кедровых шишек и выделения семенного ореха в горно-таежных условиях заготовки.

Работа выполнена по госбюджетной научно-исследовательской тематике Сибирского государственного технологического университета, проводимой по заданию Министерства образования РФ «Биотехнические основы безопасности

технологического оборудования для лесовосстановления» № НИР 1.6.01., код ГРНТИ 68.47.43,66.19.17, а также госбюджетной НИР, проводимой по заданию Федерального агентства по образованию «Изучение биотехнологических и динамических процессов в системе лесных машин при формировании основ рационального природопользования» № НИР 1.9.05., Код ГРНТИ 68.47.43, 66.19.17.

Цель работы - исследовать рабочие процессы и разработать малогабаритное модульное оборудование для многоступенчатой очистки и сортировки кедрового ореха.

Объектом исследования является технологический процесс переработки кедровых шишек на месте заготовки путем применения малогабаритной модульной установки.

Предмет исследования - выявление закономерностей процессов разделения вороха на горизонтальных просеивающих решетах и сортирования кедрового ореха на цилиндрических вращающихся решетах.

Методы исследования. Исследования выполнялись на основе комплексных лесоводческих требований к заготовке семенного, пищевого и технического ореха с соблюдением норм экологической защиты кедра и окружающей среды.

В качестве основных методов теоретических исследований в диссертационной работе принято математическое моделирование сложных систем с применением современных математических алгоритмов для численных и аналитических расчетов теории планирования активного эксперимента с использованием пакета прикладных программ (lililí) Statgrapchics, АРМ САМ. Обработка результатов проводилась с использованием аппарата математической статистики программами Statgrapchics, Matlab и Excel.

Задачи исследования:

1) провести функциональное исследование рабочего оборудования необходимого для выполнения полного цикла переработки кедровых шишек;

2) исследовать размерные показатели кедровых шишек и ореха для многоступенчатой очистки с получением размерных зависимостей;

3) разработать математическую модель процесса разделения кедрового вороха на горизонтальном просеивающем решете;

4) определить влияние кинематических параметров и режимов работы на процесс разделения кедрового вороха посредством разработанного механизма привода решет;

5) выполнить технико - экономическое обоснование применения модульного малогабаритного оборудования по разработанной технологии многоступенчатой очистки и сортировки кедрового ореха.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые дана комплексная оценка переработки кедровых шишек малогабаритной модульной установкой (патенты РФ №2310352, № 2462104) в труднодоступных местах произрастания кедра.

Разработана математическая модель идентификации шишек и орехов в зависимости от их параметров.

Получены аналитические зависимости механического разделения фракций вороха по массе на горизонтальном решете методом планирования и реализации полнофакторного эксперимента.

Определены энергетические показатели установки при движении вороха с различной массой, амплитудой и частотой колебаний на горизонтальном решете.

Практическая значимость - Разработано новое переносное модульное оборудование для переработки кедровых шишек в горных труднодоступных районах Сибири с обеспечением фракционного разделения кедрового ореха.

- Выявлены и приведены аналитические зависимости, позволяющие оценить влияние кинематических и конструктивных параметров движения горизонтального решета на разделение кедрового вороха.

- Полученные аналитические зависимости и конструктивные параметры могут быть использованы для проектирования и изготовления малогабаритного оборудования по переработке кедровых шишек.

На защиту выносятся:

1 Технические и конструктивные решения на основе малогабаритного модульного оборудования, защищенные патентами РФ № 2310352, № 2462104 на изобретение.

2 Математическая модель, описывающая процесс разделения кедрового вороха на горизонтальных просеивающих решетах.

3 Конструкция и рабочие параметры механизма привода решет для многоступенчатой очистки и сортировки кедрового ореха.

4 Результаты экспериментальных исследований и экономическое обоснование эффективности малогабаритного оборудования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на семинарах и заседаниях кафедры «Автомобили, тракторы и лесные машины» Сибирского государственного технологического университета (Красноярск, 2004-2012); на Всероссийской научно-практической конференции «Лесной и химический комплексы: проблемы и решения» (Красноярск, 2004, 2006); на Международной научно-практической конференции «Лесные биологически активные ресурсы» (Хабаровск, 2007); представлены в материалах Всероссийской очно-заочной научно-практической и научно-методической конференции с международным участием «Инновации в науке и образовании: опыт, проблемы, перспективы развития» Красноярского государственного аграрного университета (Красноярск, 2011) и опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК «Вестник КрасГАУ» (Красноярск, 2010, 2012).

Реализация работы. Выполненные исследования используются научно -исследовательской лабораторией «Организация техсервиса АПК Восточной Сибири» ГНУ ГОСНИТИ РАСХН.

Основные положения диссертации внедрены Краевым государственным бюджетным учреждением «Таежинское лесничество» и Краевым государственным казенным учреждением «Манское лесничество».

Достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается адекватностью разработанных уравнений регрессий современными средствами научных исследований, включая теорию вероятности математической статистики моделирование, положительными результатами разработки, внедренными в производство.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 работ, в том числе 2 статьи в журналах перечня ВАК, получено 4 патента РФ на изобретение (№ 2310352, № 2372816, № 2440782, № 2462104).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы составляет 143 страницы машинописного текста, включая 62 иллюстрации, 6 таблиц, библиографического списка, включающего 153 наименования.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Перспективы освоения ресурсов заготовки кедрового ореха в труднодоступных районах Сибири

Сосна кедровая сибирская (кедр сибирский) - Pinus sibirica Du Tour -область распространения кедра сибирского охватывает районы северо-востока европейской части России, севера Урала, Западной и Восточной Сибири и Монголии [59, 65, 67, 111, 112, 126, 142]. В нашей стране кедровые леса произрастают на территории 36 млн.га. По данным учета лесного фонда на 01.01.2010 г. только в пределах Сибирского федерального округа кедровые леса занимают 28849,7 тыс.га, что составляет 11,4 % покрытой лесом площади округа и 78,4 % кедровых лесов всей России [138].

Основными регионами для заготовки ореха остаются Республики Алтай (29,7 %), Бурятия (9,3 %), Тыва (44,8 %), Хакасия (29,3 %), Красноярский край (16,4 %), Иркутская (11,9 %), Томская (20,7 %), частично Кемеровская (6,5 %) и Омская (5,2 %) области [17].

Наибольшее количество орехопродуктивных кедровников в данных регионах произрастает на высоте от 1250 до 2170 м над уровнем моря, что затрудняет заготовку кедрового ореха.

Объемы заготовок определяются площадью орехопродуктивных насаждений и урожаями [82, 83, 85, 98, 114]. По данным В.Н. Воробьева [25, 26, 27] и Ю.Н. Ильичева [49] кедровые насаждения продуцируют эксплуатационные урожаи лишь в возрасте 160 - 280 лет (I-IV классы бонитета). В орехопродуктивную площадь включаются территории припоселковых кедровников, орехопромысловых зон, а также таежные участки. Исследованиями авторов [50, 51, 52, 95, 96, 97, 134, 140] установлено, что периодичность урожаев отражается в смене периодов семенных и несеменных лет, разных по продолжительности и неравномерных по абсолютным величинам урожаев. При

оценке ресурсов кедрового ореха учитываются биологический, эксплуатационный и продуктивный урожаи.

Для определения орехопродуктивности кедровников использованы материалы последних 50-ти лет. По Ю.Г. Бендерскому, хозяйственно возможный сбор орехов в Красноярском крае не превышает 50 % эксплуатационного урожая [16]. Для Томской области урожаи определены по таблицам орехопродуктивности [85, 133] с учетом средних таксационных характеристик кедровых древостоев. Биологические, эксплуатационные и продуктивные ресурсы кедрового ореха в Красноярском крае, Иркутской и Томской областях установлены по скорректированным материалам специальных исследований [16, 66, 109]. По другим административным субъектам оценка запасов выполнена на основе наличия и пространственного размещения продуктивных кедровников и опубликованных данных об урожаях и объемах заготовок. Для расчета ресурсов кедрового ореха в Республике Алтай приведены данные [26, 27, 149]; в Республиках Тыва и Хакасия - [51, 52, 122]; в Кемеровской и Омской областях -[68,69]; в Республике Бурятия - [62, 63].

По данным Красноярского филиала Госкомцентра «Природа» [16], площадь продуктивных кедровников в крае составляет 3438 тыс. га, или 42,9 % от общей площади кедровых лесов. Средний урожай орехов оценивается в 32 кг/га, биологический - в 151,1 тыс.т, эксплуатационный - в 75,6 тыс.т, возможные объемы заготовок с учетом транспортной доступности территории - в 27,1 тыс.т. В 1984 - 1992 г.г. в крае в среднем ежегодно заготавливалось 740 т орехов, или 2,7 % от возможного объема. Наиболее перспективны для орехопромысла Енисейский, Ермаковский, Курагинский и Шушенский районы.

Согласно материалам Иркутского управления лесами из 6964,3 тыс.га общей площади кедровых лесов для заготовки орехов пригодны 2840 тыс.га, или 40,8 %, остальная территория труднодоступна или вовсе недоступна для орехопромысла из-за гористости и отсутствия дорог.

Площадь орехопродуктивных кедровников в Томской области составляет 2952,9 тыс.га, площадь насаждений, доступных для орехопромысла, - 1241,8 тыс.

га, в том числе 8 тыс.га припоселковых кедровников, 392,7 тыс.га насаждений орехопромысловых зон и 841,1 тыс.га транспортно доступных таежных древостоев.

Выполненные исследования по материалам лесоустройства и литературным источникам показали, что площадь доступных для освоения орехопродуктивных кедровников в Сибирском федеральном округе составляет 7718,6 тыс.га, или 29,4 % площади кедровых лесов, о