автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование технологий удаления древесно-кустарниковой растительности при освоении земель

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ И МЕЛИОРАЦИИ им.А.Н.КОСТЯКОВА

На правах рукописи

Маммаев'Загиди Маммаевйч кандидат техническихнаук,

иия древесно-

Совершенствований г$Ы6логий .«•' .О'" ^^ кустарниковой рартаТельно£^шЙ"освоении земель

Специальнос^^^и- 05.23.07 "Гидротехническое и мелиоративное строительство"

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Москва 1998

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им.А.Н.Костякова

Официальные оппоненты:

Академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Ковалев Н.Г.

Доктор технических наук, профессор Суриков В.В.

Доктор технических наук, профессор Недорезов И.А. Ведущая организация - ИЦ Союзводпроект

диссертационного совета Д.020.95.01 ; ;цению ученых степеней

Всероссийского научно-исследова „ института гидротехники и

мелиорации им.А.Н.Костякова, 127550, г.Москва, ул.Б.Академическая, 44, ВНИИГиМ.

Защита состоится

на заседании

С диссертацией можно ознакс

.,еке института.

Диссертация в виде научного до>

Ученый секретарь диссертационного совета

И.С.Лапидовская

-и

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Федеральной программой стабилизации и развития инженерно-технической сферы АПК на 1996...2005 г.г. с целью повышения продуктивности мелиорируемых земель намечено провести культуртехнические работы на 350 тыс.га. На более отдаленную перспективу (2010 г.) предстоит провести работы по освоению закустаренных и вторично заросших земель общей площадью 2235 тыс. га.

Однако, выполнение указанных объемов работ по освоению новых и восстановлению проектных контуров вторично заросших земель сдерживается недостаточным финансированием с одной стороны и отсутствием высокоэффективных технологий и комплексов машин, позволяющих вести культуртехнические работы в соответствии с современными требованиями природо- и ресурсосбережения, с другой. В практике производства культуртехнических работ наиболее трудоемкими являются работы по удалению древесно-кустарниковой растительности (ДКР). Многооперационность технологических процессов, многомароч-ность технических средств, применяемых при выполнении этих работ, приводит к неизбежным техническим перерывам и простоям и, как следствие, к растягиванию сроков освоения площадей на 6-12 месяцев, а в ряде случаев до года. Современным культуртехническим машинам для освоения закустаренных земель, базирующимся, в основном, на тяжелых и энергонасыщенных тракторах, мощности которых не всегда максимально используются, характерна, как правило, высокая энергоемкость рабочего процесса удаления ДКР. Указанные факторы зачастую усугубляются многообразием грунтовых условий, обусловливаемых их механическим составом, влажностью и плотностью. С другой стороны, процессы удаления ДКР сопровождаются массированным воздействием рабочих органов разного назначения различных конструкций на почву, нарушающим естественное состояние ее среды и выносом большого количества природного гумуса с полей вместе с кустарниковой массой в еста складирования или сжигания.

• «Процесс удаления ДКР при освоении земель в гумидной зоне свя-$ применением специальных корчующих, срезающих, сгребающих, '""кивающих средств, образующих значительные неровности на погости площадей. Устранение неровностей нередко возможно лишь

' 1'ющью землеройной техники, которая еще больше усугубляет й, наносимый естественному плодородию почв и нарушающий эко-4 агроландшафтов.

Таким образом, можно констатировать, что существующие техно-¿> :л не являются оптимальными, их технико-экономические показа-

• > не высоки. Это обусловило необходимость постановки и решения

проблемы разработки перспективных научных основ технологических процессов удаления древесно-кустарниковой растительности на осваиваемых землях и создания на этой основе новых, более эффективных, отвечающих требованиям экологии, ресурсо- и лочвосбережения, технологических комплексов по удалению, переработке и утилизации ДКР.

Решению указанной крупной народнохозяйственной проблемы посвящена диссертационная работа в форме обобщенного научного доклада, выполненная автором во Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации. им.А.Н.Костякова в 1977... 1996 г.г.

Цель и задачи исследований. Целью работы является создание научных, технологических и организационных основ процессов удаления и переработки ДКР машинами с активными рабочими органами при освоении и восстановлении закустаренных земель в гумидной зоне земледелия. Достижение указанной цели связано с решением целого ряда новых задач, включающих :

анализ существующих технологических процессов, их эксплуатационно-технологических и качественных показателей;

разработка перспективных технологических процессов производства кул ьтуртехн ических работ при строительстве мелиоративных систем на закустаренных землях;

- исследование природных, организационно-технологических и технических факторов, влияющих на качественное удаление ДКР и максимальное сохранение почвенного покрова на месте;

- научное обоснование новых рабочих органов и технологических комплексов для удаления и переработки ДКР и теоретические методы расчета их кинематических, динамических и энергетических параметров;

разработку научно-практических и организационно-технологических предпосылок для утилизации мелиоративной древесины на топливные брикеты;

- разработку методов организации работ и методов оптимизации технологических комплексов машин для удаления и переработки ДКР.

Методика исследований. Исследования базировались на методах системного анализа. В качестве изучаемой системы рассматривались мелиоративные, культуртехнические объекты, применяемые технологические процессы и комплексы машин с одной стороны и природная среда - с другой. При теоретических исследованиях использованы фундаментальные положения теории разрушения материалов и теоретической механики. Лабораторно-полевые эксперименты и испытания проводились согласно отраслевого стандарта (ОСТ) и методов планирования экспериментов. Широко применены методы производственной проверки машин в процессе предварительных и приемочных испытаний. Регистрация исследуемых

параметров проводилась методами инструментальных замеров, тензометрирования и осциллографирования. Для обработки экспериментальных данных использовались методы математической статистики и ЭВМ.

Достоверность основных выводов подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных зависимостей и многократно повторенными эксплуатационно-технологическими показателями технологических процессов.

Научная новизна. Сделан существенный вклад в решение проблемы интенсификации культуртехнических работ при строительстве мелиоративных систем с учетом специфических особенностей гумидной зоны.

Разработаны перспективные технологические процессы производства работ при удалении и переработке ДКР и новые технологические комплексы машин, позволяющие резко повысить качество работ, полностью сохранять почвенный покров, соблюдая современные экологические требования

Разработана научная теория бесподпорного резания ДКР цилиндрической фрезой и методы расчета параметров рабочих процессов и на этой основе определена энергоемкость технологических процессов.

Выявлены закономерности и предложены методы реализации организационно-технологического потенциала машин с активными рабочими органами для производства культуртехнических работ при освоении закустаренных земель, обеспечивающие высокую производительность и качество работ при минимальных энергозатратах.

Разработаны организационно-технологические основы и направления утилизации удаляемой ДКР.

На защиту выносятся:

новые комплексно-механизированные, ресурсо- и почвосберегающие технологии производства культуртехнических работ при освоении закустаренных земель, основанные на применении машин с активными рабочими органами;

- теория и результаты экспериментальных исследований активного срезания, подачи, измельчения и корчевания древесно-кустарниковой растительности, позволяющие обосновать основные кинематические, динамические и энергетические параметры рабочих процессов;

- усовершенствованная технология улучшения луго-пастбищных угодий на основе применения современных технологических и технических методов повышения их продуктивности;

- организационно-технологические основы и экономические концепции утилизации ДКР, удаляемой при освоении земель;

- методы рационализации технологических процессов удаления и переработки ДКР и оптимизации технологических комплексов на основе экономико-математических моделей с учетом экономических факторов и организационных схем.

Практическая ценность. Рекомендуемые технологии производства культуртехнических работ при освоении закустаренных и восстановлении вторично заросших земель позволяют :

- повысить производительность труда на 50...80%, снизить стоимость работ на 45...53%;

- обеспечить практически полное сохранение почвенного покрова на месте, снизить потери почвы со 150...200 т/га до 1,5...3,0 т/га, что обусловливает снижение капитальных затрат на последующее восстановление плодородия на 40...50%;

- резко повысить качество удаления ДКР с осваиваемых и восстанавливаемых площадей, существенно снизить техногенную нагрузку на почву.

Результаты работы позволили создать и внедрить в производство опытные образцы фрезерного кустореза КФ-2,8, кустореза-комбайна КИД-202, роторный измельчитель кустарника ИК-1,8, собиратели-погрузчики СП-3,2, К-15, подборщик-измельчитель МТП-82, роторный корчеватель МП-12, которые выпускались серийно и опытными партиями.

Разработанные технологические процессы и комплексы машин использовались и могут быть использованы проектно-технологическими, мелиоративно-строительными и сельскохозяйственными

организациями, кооперативами, акционерными обществами, фермерскими и индивидуальными хозяйствами при проведении культуртехнических работ на с/х угодьях.

Практические результаты технологических исследований вошли в нормативные и руководящие отраслевые документы, перечень которых приводится в конце работы.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на секции технологии и механизации мелиоративных работ Ученого совета ВНИИГиМ в 1978... 1993 г.г., на научно-техническом совете Союзоргтехводстроя в 1977... 1986 г.г., на отраслевых семинарах специалистов Минводхоза СССР в 1978, 1980, 1981 г.г., на семинаре специалистов Минводхоза СССР и Министерства сельского и водного хозяйства Финляндии в 1985г., на научно-технической конференции в г.Тюмени в 1978 г., на отраслевом научно-практическом семинаре в г.Паневежисе в 1981 г., на секции "Водное хозяйство и гидротехника" Российской инженерной академии в 1995 г., на секции механизации

4

мелиоративных работ отделения мелиорации и водного хозяйства ВАСХНИЛ в 1982...1984 г. г., на отраслевом семинаре-выставке Минводхоза СССР по новой технике и передовым технологиям в 1984...1987 г.г.

Технологии производства культуртехнических работ и новые технические средства экспонировались на ВДНХ СССР и ВВЦ РФ и удостоены 15 медалей.

Внедрение. Технологии освоения закустаренных земель с удалением и частичной переработкой ДКР и машины для выполнения этих работ внедрялись в 1997-1989 г.г. по отраслевым и региональным планам с общим суммарным эффектом 9645 тыс.руб. Отдельные фрагменты технологий и кусторез-измельчитель КИД-202, фрезерный кусторез КФ-2,8, роторный измельчитель кустарника ИК-1,8, собиратель-погрузчик СП-3,2 внедрялись по научно-техническим договорам в Псковской, Пермской, Московской, Тверской областях.

Результаты исследований автора вошли в нормативные, руководящие и методические документы, утвержденные Минводхозом СССР, Главнечерноземводстроем, Минсельхозом РСФСР, Минсельхозом СССР, Союзсельхозтехникой, Минстройдормашем и Минсельхозпродом РФ,

Публикации. По теме диссертации опубликовано 80 печатных работ, в т.ч. 8 нормативных документов и получено 11 авторских свидетельств на изобретения.

Содержание работы

Удаление древесно-кустарниковой растительности (ДКР) является важной составной частью культуртехнических и мелиоративных работ широко осуществляемых при освоении как переувлажненных земель, так и земель не нуждающихся в осушении.

Мелиоративный фонд закустаренных земель в Российской Федерации составляет 22,0 млн.га. Эти земли могут быть реально освоены в , перспективе довольно малыми финансовыми, материальными и трудовыми затратами.

В последние 8.. 10 лет в гумидной зоне возникла проблема вторичного зарастания используемых угодий в условиях полного или частичного отсутствия эксплуатации и ухода за мелиоративными системами и мелиорируемыми землями. Так, ежегодно в таких областях, как Архангельская, Вологодская, Кировская, Свердловская, Пермская, Смоленская, Тверская, Ярославская, Ивановская и в Республике Коми, выбывает 1...1,5% находящихся в эксплуатации земель в результате зарастания.

За последние 20 лет в Северо-Западном, Центральном, Волго-Вятском, Уральском природно-экономических районах Российской Федерации заросло кустарником 15 млн.га. Аналогичная ситуация сложилась и в Сибирских и дальневосточных районах.

В таблице 1 приведены объемы работ по освоению и восстановлению площадей закустаренных земель на период до 2010 года в крупных регионах и в целом по Российской Федерации.

Таблица 1

Зоны и районы Освоенные площади, тыс.га Перспективы на 2010 г.тыс.га

новое освоение вторично заросшие

Российская Федерация 956,7 810,0 1425,0

Нечерноземная зона Российской Федерации 732,4 620 1185,0

Районы .

Северный 141,3 50 360,0

Северо-Западный 234,3 110,0 350,0

Центральный 713,3 180,0 110,0

Волго-Вятский 613,1 200,0 95,0

Уральский 147,0 80,0 225,0

Западно-Сибирский 107,0 90,0 165,0

Восточно-Сибирский 30,0 40,0 50

Дальневосточный 124,6 60,0 70

• Приведенные данные свидетельствуют об актуальности проблемы освоения закустаренных земель в стране. Однако, описанная проблема имеет не только экономические и социальные, но научно-технические, технологические и организационные аспекты. Нерешенность научно-технической стороны проблемы, отсутствие научно обоснованных рекомендаций по технологическим процессам, техническим средствам, а также организационно-техническим методам производства работ, отвечающим современным требованиям экологии, ресурсосбережения и интенсификации сельского хозяйства, сдерживают темпы выполнения приведенных выше объемов.

В работе рассмотрены теоретические и технические проблемы разработки новых перспективных технологических процессов и средств механизации для срезания древесно-кустарниковой растительности, измельчения ее на щепу, корчевания корневой части машинами с активными рабочими органами, а также сбора срезанной или выкорчеванной массы специальными собирателями-погрузчиками.

Проблемы научного обоснования технологий, технических средств и реализации их на практике рассмотрены с точки зрения максимального сохранения почвенного слоя, создания технологических и организационных предпосылок для утилизации удаляемой наземной части ДКР.

1. Современный уровень технологий и комплексной механизации работ по освоению закустаренных земель и обоснование задач исследований

Проблеме разработки и совершенствования технологий, средств механизации и методов организации работ по освоению закустаренных земель посвящены работы многих исследователей, в том числе Т.С.Борщова, И.А.Гинтовта, Е.И.Ельцова, А.М.Лопатина, А.Д.Лукьянова, В.И.Полунина, О.Ф.Першиной, А.П.Стирки, В.А.Скурдяниса, А.В.Вавилова, Б.И.Сотниченко, К.И.Преображенского, С.Х.Вартанова, Я.С.Петлаха, О.М.Мацепуро, Рылкова, Х.Н.Старикова, И.И.Марченко, О.С.Марченко и др..

Анализ технологий удаления древесно-кустарниковой растительности показывает, что их основными недостатками являются многооперационность процессов, осуществляемых с применением довольно большого количества разномарочных машин, высокая энергоемкость, низкая производительность труда и большие потери гумусового вещества из почвы и практическое неиспользование (уничтожение) удаляемой древесно-кустарниковой массы, которая является потенциальным сырьем для ряда отраслей страны. Для корчевки и срезания древесно-кустарниковой растительности применяются корчеватели и кусторезы пассивного действия на тракторах класса 3... 10 т.

По данным ВНИИГиМ и СевНИИГиМ при корчевке кустарника, мелких деревьев и пней и их перемещении в валы и кучи для последующей ликвидации сгребается почва массой 150...3