автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование машинной технологии утилизации обрезков кроны плодовых деревьев для улучшения качественных и технико-экономических показателей

Северо-Кавказский зональный научно-исследовательский институт садоводства и виноградарства

На правах рукописи УДК 634.1:631.542:631.3:631.1

Медовник Анатолий Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАШИННОЙ ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ ОБРЕЗКОВ КРОНЫ

ПЛОДОВЫХ ДЕРЕВЬЕВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ

ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук старший научный сотрудник Бондарев В.А.; кандидат экономических наук Бражник В.П.

Краснодар, 1999

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 9

1.1. Обзор применяемых технических средств для среза и

9

измельчения ветвей

1.2. Анализ технологий обрезки кроны деревьев при возделовнии плодовых культур 28

1.2.1. Основные требования к устройствам для обрезки деревьев 29

1.2.2. Способы обрезки, машины и механизмы, применяемые для обрезки плодовых деревьев 30

1.2.3. Состояние механизации процесса сбора, транспортировки и утилизации обрезков ветвей плодовых деревьев 36

1.3. Выбор и обоснование параметров рабочих органов для

- * 41

механизированной обрезки кроны

1.3.1. Обоснование основных параметров дискового режущего аппарата контурного обрезчика 48

1.3.2. Расчет и выбор основных конструктивных параметров измельчителя обрезаемых ветвей ^

1.3.3. Производительность измельчительной машины 52

1.3.4. Кинематика дробления 52

1.3.5. Мощность привода ножевого барабана ^

1.4. Цель и задачи исследования ^

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ОБОСНОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ КОМБАЙНА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ОБРЕЗКОВ КРОНЫ ПЛОДОВЫХ ДЕРЕВЬЕВ 60

2.1. Системный подход к обоснованию технологической схемы комбайна для утилизации обрезков кроны плодовых деревьев 50

2.1.1. Обоснование выбора срезающего аппарата 61

2.1.2. Обоснование рационального типа измельчающего устройства 62

2.1.3. Синтез технологической схемы комбайна для омолаживания обрезки деревьев в садах типа "Рокрас"

2.2. Обоснование параметров пневмотранспортера дробленой щепы

72

и режима его работы

2.3. Методика инженерного расчета комбайна для утилизации 75 обрезков кроны плодовых деревьев

ЯО

2.4. Краткие выводы

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕ-

82

ДОВАНИЙ

82

3.1. Программа исследования

3.2. Общая методика математической обработки экспериментальных

82

данных

3.3. Методика математического планирования эксперимента

3.4. Оборудование и приборы, применяемые в исследовании д^

3.4.1. Анемометр ручной индукционный АРИ-49 91

3.4.2. Лабораторная установка для утилизации обрезков кроны плодовых деревьев 93

3.5. Методика определения экономической эффективности машинной технологии утилизации обрезков кроны плодовых деревьев 95

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 97

4.1. Физико-механические свойства обрезков кроны плодовых дере-

97

вьев

4.2. Определение однородности измельченной щепы в зависимости от конструктивных и режимных параметров измельчителя ^^

4.3. Зависимость однородности щепы от длины барабана 109

4.4. Зависимость однородности щепы и средней длины резки от частоты вращения барабана 114

4.5 Зависимость однородности щепы от величины подачи и длины ба-

115

рабана

4.6. Усовершенствованная механизированная технология утилизации

обрезков кроны плодовых деревьев с использованием комбайна \20 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ МАШИННОЙ ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ ОБРЕЗКОВ КРОНЫ ПЛОДОВЫХ ДЕРЕВЬЕВ 125 ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 128 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 131 ПРИЛОЖЕНИЯ 140

ВВЕДЕНИЕ.

Важнейшей социально-экономической задачей является научно-обоснованное потребление плодов и ягод наряду со сбалансированным питанием населения страны по другим видам продуктов. Необходимая годовая норма потребления свежей плодово-ягодной продукции составляет 91 кг (рекомендации ВНИИ садоводства им. Мичурина совместно с институтом питания АМН).

К сожалению, производство плодов и ягод в нашей стране далеко от норматива и не превышает 20 кг на душу населения. Поэтому разработка ресурсосберегающих технологий и комплекса машин для садоводства, значительно снижающих трудоемкость основных работ, является актуальной проблемой.

Среди различных технологических процессов в садоводстве очень трудо- и энергоемкой является технология утилизации обрезков кроны, выталкивание и сжигание обрезков в месте накопления. Для механизации этих работ наукой и промышленностью предложены различные технические средства, которые значительно сокращают ручной труд, но не полностью устраняют его. К тому же утилизация обрезков кроны путем сжигания приводит к серьезным экологическим нарушениям.

В настоящее время промышленность не выпускает машин для одновременного срезания и измельчения обрезков плодовых деревьев. Производятся лишь машины для контурной обрезки деревьев, а также стационарные для измельчения срубленных тонкомерных деревьев, сучьев, отходов лесозаготовок. Некоторые из них могут работать на складах древесины.

Многооперационные машины для среза и измельчения деревьев находятся в стадии разработки как в нашей стране, так и за рубежом. Имеющиеся в производстве однооперационные машины для утилизации обрезков кроны не в полной мере решают проблему из-за высоких трудовых затрат, металло- и энергоемкости.

Чтобы упростить и удешевить технологию уборки отходов садоводства, необходимо срез и измельчение обрезков кроны выполнять на месте произрастания деревьев. При этом измельченная щепа должна иметь заданные параметры.

Усилиями НИИ и КБ уровень механизации в садоводстве составляет 60 %, однако, в некоторых хозяйствах он не превышает 35%.

Превзойти достигнутый рубеж по уровню механизации 60% мешает отсутствие законченных научных разработок по механизированным комплексам машин для ухода за кроной деревьев и уборки урожая. Из 473 чел.-ч трудовых затрат при возделывании плодовых деревьев на обрезку, например, одного гектара яблонь требуется 386 чел.-ч, а одного гектара вишни - 190. Высокая трудоемкость технологии обрезки кроны требует немедленного ее совершенствования.

В зарубежном и отечественном садоводстве до этого времени была сделана попытка механизировать процесс обрезки. Эта технология включала сплошную обрезку кроны дерева машиной по контуру с ручной доработкой. Для этой цели создан ряд контурных обрезчиков типа МКО-3 с рабочими органами пильного типа. Их применение снижает трудоемкость процесса на обрезке в 1,8-2,2 раза, а утилизация обрезков после них остается на уровне ручной обрезки, когда они

выталкиваются из междурядной машинами типа СТС-4 и сжигаются с нарушением экологии.

Научными исследованиями доказано снижение урожайности плодов при использовании указанных машин для обрезки кроны, т.к. обрезка по контуру приводит к образованию плотного листового полога по периферии кроны, снижающего освещенность внутренних ее частей и перемещающего формирование урожая только на внешнюю поверхность. Кроме того, "слепой" срез более толстых ветвей приводит к активным регенерационным процессам и отмиранию генеративной древесины. Чтобы снизить отрицательное влияние этих недостатков, применяют индивидуальное ручное деформирование скелета крон. Такой двойной подход ( сначала машина, а потом вручную) нарушает поточность процесса, снижает производительность труда и эффект от механизации обрезки кроны. Необходима поточная механизированная технология обрезки кроны с утилизацией обрезков, которые могут широко использоваться в целлюлозно-бумажной промышленности, для производства картона и др.

В настоящее время пока недостаточно полно обоснованы конструктивные и режимные параметры машины для измельчения обрезков кроны, пневмотранспорта щепы после измельчения. Не разработана методика инженерного расчета машины для утилизации обрезков кроны плодовых деревьев, не изучены зависимости качественных показателей измельчения обрезков кроны от конструктивных и режимных параметров измельчителя. Этот круг вопросов планируется изучить с помощью наших исследований.

Тема разрабатывалась в соответствии с планом научно-исследовательских работ СКЗНИИСиВ.

Цель работы - обосновать конструктивную схему, параметры измельчителя комбайна и технологию для утилизации обрезков кроны плодовых деревьев, значительно снижающей затраты ручного труда и денежных средств.

Выполнение поставленной цели обеспечит повышение производительности труда в садоводстве и увеличение производства плодов и ягод для потребления.

В настоящее время уже обоснованы научными исследованиями и разработаны рабочие органы для обрезки кроны плодовых деревьев, измельчения обрезков, сбора измельченной щепы. Однако, использование их в едином агрегате ( комбайне) до сих пор не осуществлено.

Проблема состоит в том, как обеспечить размерную однородность щепы при хаотическом поступлении обрезков в измельчающий аппарат.

Попытки утилизации обрезков в насаждениях с измельчением и рассевом или заделкой щепы в почву практического распространения не получили из-за дополнительной экологической нагрузки на среду: измельченная масса в процессе разложения отбирает из почвы азот и накапливает болезни и вредителей. Гипотетически решение рассматриваемой проблемы устроит всех, если обрезки будут измельчены и использованы как сырье. При этом затраты на транспортировку щепы будут минимальными.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

1. Технологическая схема комбайна для утилизации обрезков кроны плодовых деревьев, разработанная на основе системного подхода.

2. Параметры и режим работы измельчающего аппарата комбайна.

3. Методика инженерного расчета комбайна для утилизации обрезков кроны.

Результаты исследований обсуждались и рассматривались на научных конференциях КГАУ, СКЗНИИСиВ, а также рассмотрены и одобрены на заседании секции механизации и электрификации краевого НТС ( приложение 1 ).

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обзор применяемых технических средств для среза и измельчения ветвей

Своевременная и качественная обрезка плодовых деревьев имеет большое значение и является одним из важнейших агротехнических приемов при обработке садов. В условиях интенсивного садоводства контурная обрезка деревьев с помощью машин позволяет механизировать самый трудоемкий процесс возделывания плодовых деревьев и тем самым резко уменьшить потребность в рабочей силе для выполнения работ по уходу за садами.

Для контурной обрезки плодовых деревьев в нашей стране и за рубежом широко используют специальные машины с режущими аппаратами сегментного или дискового типа. В применяемых дисковых режущих аппаратах пилы для обрезки установлены с перекрытием, т.е. межцентровые расстояния пил меньше полусуммы их диаметров. Это приводит к появлению зазора между плоскостями тел. Такое расположение дисковых пил вызывает интенсивный износ и поломки зубьев пил вследствие затягивания срезанных ветвей в зазор между пилами и заклинивания обрезков между перекрывающимися частями пил. При этом наблюдается ухудшение качества среза из-за неполного срезания и обламывания надвигающимся корпусом режущего аппарата ветвей, попавших в зазор между пилами.

Для повышения качества среза д.т.н. Л.А.Шомахов [81]

предложил направляющее устройство выполнить в виде установленных с возможностью вращения звездочек с эластичной рабочей

поверхностью [ 82,83,84,86,87,88,92,93]. Пилы в предлагаемом

аппарате установлены с зазором и в одной плоскости. Расстояние между осью вращения звездочек и осями двух смежных пил составляет не более полусуммы диаметров окружностей впадин звездочек и пил. Наличие жестких элементов на эластичных звездочках исключает возможность отгиба эластичного выступа звездочки и попадания его на зубья пилы, что повышает долговечность работы звездочек. Любая, попавшая в зазор между пилой и звездочкой ветвь, полностью срезается вследствие постоянного подпора. Применение предлагаемого устройства позволит улучшить процесс резания и качество обрезки, повысить скорость поступательного перемещения агрегата, а, следовательно, и его производительность.

Таким образом, машина универсальная для контурной обрезки деревьев обеспечивает срезание ветвей на омолаживание диаметром до 80 мм, и для обрезки однолетнего прироста машина имеет сменные аппараты, но использование аппарата для обрезки ежегодного прироста возможно только там, где исключена возможность попадания веток с толщиной более 25 мм, например, в молодых садах. Использование же этого аппарата в старых садах допустимо только после проведения омолаживающей обрезки. В противном случае перед началом механизированной обрезки при необходимости должна быть проведена ручная обрезка ветвей с диаметром более 25 мм.

На сегодняшний день механизированная обрезка всеми известными машинами приводит к засорению кроны обрезками ветвей и необходимости уборки их из междурядий. Для того, чтобы исключить эти операции предлагается машина для контурной обрезки деревьев с одновременным измельчением срезанных ветвей ( рис. 1.1).

Эта машина включает раму 1, установленную на транспортном средстве 2. На раме закреплены: скатный щит 3, дисковые пилы 4, установленные вдоль образованной гипотенузой передней кромки скатного щита 3 и привода 5, и дробилку 6, установленную вдоль

нижней кромки скатного щита 3. Профиль скатного щита 3 выполнен изогнутым по заданному контуру для формирования кроны дерева, а передняя кромка, образованная гипотенузой скатного щита 3, ориентирована по направлению рабочего хода машины. Работает машина следующим образом. При движении транспортного средства 2 вдоль ряда деревьев вращающиеся дисковые пилы 4 срезают попадающие ветви, которые, попадая, направляются по скатному щиту 3 в дробилку 6, а из нее измельченной массой - на землю в качестве мульчи. Благодаря расположению режущих дисков 4 по профилю заданной кроны дерева и вдоль передней кромки скатного щита 3,

срезанные ветви не засоряют крону и равномерно загружают дробилку по длине, что позволяет снизить трудозатраты на обрезку промышленных садов, увеличить производительность труда за счет расширения эксплуатационных возможностей машины.

Л.А.Шомаховым, на основании выполненных исследований, получены следующие параметры контурного обрезчика [85] : скорость

транспортного средства - 2,5 км/ч; диаметр дисковых пил - 0,4 м; скорость вращения дисковых пил - 2000 об/мин.

Известны также следующие машины для обрезки кроны плодовых деревьев: ОКН-4,5, МКО-3 [74,76]. Обрезчик контурный

механизированный ОКН-4,5 навесной, предназначен для вертикальной, горизонтальной и наклонной обрезки кроны плодовых деревьев режущим аппаратом дискового типа. Может применяться для контурной обрезки декоративных насаждений и лесополос.

Основные узлы обрезчика: система навески для монтажа опорной и подъемной металлоконструкций на трактор, элементы которых составляют параллелограммный механизм, обеспечивающий параллельность перемещения режущего аппарата в горизонтальной и вертикальной плоскостях при установке на требуемую высоту подъема; дисковый режущий аппарат, комплектующийся двумя типами дисковых пил с клиноременной передачей для привода пил от гидродвигателя; гидросистема для подъема и опускания стрелы и установки режущего аппарата в требуемом положении, а также для удержания рабочего органа на заданной высоте. Гидросистема обрезчика конструктивно объединена с гидросистемой трактора и имеет два гидронасоса НШ-46 ( тракторный и дополнительный от ВОМ). Агрегатируется с трактором типа ДТ-75, оборудованным

ходоуменынителем. Производительность за 1 час чистой работы при вертикальной обрезке до 1,1 га, при горизонтальной - до 1,6. Частота вращения дисков 2200 об/мин., диаметр пил 625 мм, наибольшая высота обрезки до 4,9 м.

Взамен обрезчика ОКН-4,5 была рекомендована в производство универсальная машина МКО-3. После снижения высоты деревьев этой машиной можно выполнять с земли детальную обрезку кроны без применения лестниц и скамеек. Ее внедрение обеспечило снижение трудовых затрат на 20%. МКО-3 применяется в садах с шириной междурядий не менее 5 м.

Машина МКО-3 агрегатируется с трактором тягового класса 1,4, ее производительность за 1 час основного времени 1,4 га, ширина захвата - два полуряда.

Удаление срезанных ветвей производится машиной для сбора и вывозки обрезков сучьев СТС-4.

Недостаток применяемых машин для обрезки кроны деревьев состоит в том, что еще имеет место большая трудоемкость утилизации обрезков: их сбор, выталкивание, измельчение или сжигание. В этой связи последние годы разрабатываются новые машины для обрезки кроны с одновременным из�