Исследование процесса резания корней сеянцев при подрезке и выкопке

Машины и оборудование

Boden-wissenschaften Institut fur Forsttech-nik. - Wien, 2009. - p. 77.

3. Ersson, T. Possible concepts for mechanized tree planting in Southern Sweden -an introductory essay on forest technology [Text] / Т. Ersson // Sveriges lantbruksuniver-sitet. - Umea, 2010. - p. 54.

4. Balsari, P. Operative and economic evaluation of machines for planting cuttings [Text] / P. Balsari, G. Airoldi, G. Facciotto // APAT, Atti. - 2003. - №5. - p. 9-17.

5. Equipment for reforestation and timber stand improvment [Text] // Forest Service Equipment Development Center. - Fort Missoula, Missoula, Montana. - 1980. - p. 266.

6. Lannen RT-20 operator's manual [Text] // Lannen Tehtaat Oyj. - 2004. - p. 31.

7. Laffan, M. D. Comparison of the effects of spot and strip cultivation on the early growth of Eucalyptus nitens and Pinus radiata in Tasmania [Text] / M. D. Laffan, P. Naugh-ton, S. Hetherington, S. Rees // Tasforests. -2003. - № 14. - p. 137-144.

8. Hall, P. Mechanical site preparation using excavators [Text] / P. Hall // NZ journal of forestry. - 1995. - p. 31-35.

9. Luoranen, J. Machine planting of Norway spruce by Bracke and Ecoplanter: an evaluation of soil preparation, planting method and seedling performance [Text] / J. Lu-oranen, R. Rikala, H. Smolander // Silva Fen-nica. - 2011. - № 45 (3). - p. 341-357.

10. Rantala, J. A techno economic evaluation of Bracke and M-Planter tree planting devices [Text] / J. Rantala, P. Harstela, V-M. Saarinen, L. Tervo // Silva Fennica. - 2009. -№ 43 (4). - p. 659-667.

11. Tervo, L. Technical Development in Forest Regeneration in Finland [Text] / L. Tervo // Baltic Forestry. - 2000. - № 1. - p. 68-73.

12. Rantala, J. Productivity of the M-Planter tree-planting device in practice [Text] / J. Rantala, T. Laine // Silva Fennica. - 2010. - № 44 (5). - p. 859-869.

DOI: 10.12737/4529 УДК 630*232.32

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ КОРНЕЙ СЕЯНЦЕВ ПРИ ПОДРЕЗКЕ И ВЫКОПКЕ

доктор сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник, главный научный сотрудник отдела лесовосстановления и семеноводства В. И. Казаков1 кандидат технических наук, главный специалист И. В. Казаков2

1 - ФБУ ВНИИЛМ 2 - ФБУ «Авиалесоохрана» kazakov@vniilm.ru, inqm@yandex.ru

Одной из важных технологических подрезка корней сеянцев, которая прово-

операций при выращивании посадочного дится как при выращивании укрупненных

материала в лесных питомниках является сеянцев без перешколивания, так и при

216

Лесотехнический журнал 2/2014

Машины и оборудование

выкопке посадочного материала. Для этой цели используются различные рабочие органы, учитывающие особенности их назначения и свойства почвы. Конструкции и геометрические параметры ножей для подрезки корней приведены на рис. 1 (черенковые ножи рис. 1, а - для подрезки боковых корней и комбинированные ножи рис. 1, б - для подрезки боковых и вертикальных корней).

рабочий орган корнеподрезчика

Сопротивление ножей резанию корней, соответственно для черенкового и комбинированного ножей, можно рассчитать по формулам:

Rx = кн s h,

Rx = кн

где кн - коэффициент удельного сопротив-

ления почвы;

s - толщина лезвия ножа; h - глубина резания;

Вн ширина захвата ножа. Необходимым условием устойчивой работы ножей является резания со сдвигом при отсутствии обволакивания лезвий корнями растений [1, 2]. Анализ сил, действующих на рабочий орган корнеподрезчика, показывает, что условием резания со сдвигом, горизонтально расположенных в почве корней, является выполнение следующего соотношения

N tg ф < T,

где N = R cos а - нормальная составляющая силы R сопротивления резанию;

Т = R sin а - тангенциальная составляющая силы R сопротивления резанию; а - угол наклона лезвия ножа; ф - динамический угол трения почвы по стали.

Величина силы сопротивления резанию корня при этом определяется его свойствами и размерами. Расписав составляющие, получим: R cos а tg ф < R sin а. Отсюда: а > ф. При невыполнении этого условия резание со сдвигом перейдет в невыгодное прямое резание (без относительного движения корня по лезвию), а при тупом лезвии (при больших углах заточки лезвия ножа в) - к обволакиванию ножей корнями.

Для плоскорежущей части ножа

при этом оптимальная величина угла атаки составит

5опт = 0,5

где фср - средняя величина динамического

Лесотехнический журнал 2/2014

217

Машины и оборудование

угла трения почвы и корней по стали.

Для подрезки корней при выкопке посадочного материала применяется рабочий орган в виде U - образного ножа (рис.

2) и продольную составляющую суммарной силы сопротивления при движении его в почве можно выразить следующим выражением

Rx = кн (2s(h - 1осн sin Р) + 05^\), (5) где 1осн - длина основания ножа;

Rн - радиус кривизны ножа;

кп - коэффициент удельного сопротивления почвы.

При резании различно ориентированных в почве по отношению к ножу корней к сопротивлению почвы по формуле (5) добавляется сопротивление от резания корней, причем в соответствии с конструкцией ножа резание может осуществляться только без сдвига корня относительно лезвия.

При контакте лезвия ножа с перерезаемым корнем вначале происходит смещение корня в почве на некоторую величину АХ (рис. 2), зависящую от свойств корня в почве, типа почвы и радиуса кривизны лезвия - г. Этому смещению подвергается участок корня на некоторой его длине, которую назовем «длиной воздействия» - 1возд. Эта длина прямо пропорциональна радиусу кривизны лезвия, пределу прочности корня при резании - [ар] и обратно пропорциональна коэффициенту удельного сопротивления почвы кп.

Условие начала резания корня имеет

вид

Fp > Fc = [op] Sк ,

где Fj, - сила резания;

Fc - сила сопротивления резанию;

действующих на него сил

[ор] - предел прочности корня по нормальным напряжениям при резании;

S,^ - площадь контакта острия лезвия ножа с корнем.

Поскольку обычно r << d,^ , то можно записать

Sк = П rd к.

При этом сила резания обеспечивается за счет подпора почвы, следовательно

Fp кп 1возд

где dmax и dmin - соответственно наибольший и наименьший диаметры корня.

Значит условие (6) можно записать в

виде

0,5 кп 1возд (dmax + dmin) > П r dк [ор]

Отсюда получим выражение для расчета «длины воздействия» (при равенстве

218

Лесотехнический журнал 2/2014

Машины и оборудование

сил резания и сопротивления)

Lbo3A 2 П r dK [Op]/k (dmax + dmin), (9) где dк - диаметр корня непосредственно в месте резания

Выражение (9) подтверждает все ранее сделанные выводы о влиянии различных факторов на начальный этап процесса прямого резания корня. Если допустить, что резание осуществляется посередине "длины воздействия", а размеры поперечного сечения корня на данном участке изменяются по линейному закону, то мы имеем право в формуле (9) заменить d,^ следующим выражением: d,^ = 0,5 (dmax + dmin) и привести ее к виду

1возд = r [ор]/кп.

Поскольку диаметр корня имеет непосредственное влияние как на силу сопротивления резанию, так и на силу «подпора» со стороны почвы, то в рамках указанных допущений диаметр корня практически не влияет на длину воздействия.

Обще сопротивление выкопочного ножа можно определить так

Rxh = Rx + n Rср ,

где n - число одновременно перерезаемых корней;

Яср - сопротивление резания одного корня.

С учетом выражений (5)-(7), можем записать

Rxh = kH[2s(h - 1осн sin в) + 0,5 п R2h ] +

+ n [ор] п r d к.

Анализ полученного выражения показывает, что сопротивление линейно увеличивается при увеличении глубины обра-

ботки, а также при увеличении количества и диаметров перерезаемых корней и повышении их механической прочности.

Кроме функции подрезания корней нож при проходе на длине 1осн cos в поднимает слой почвы с находящимися в нем растениями, попадающий между его боковыми стойками, на величину 1осн sin в, за счет чего собственно и осуществляется процесс выкопки растений.

Вертикальная составляющая RZ = RX tg у общего тягового сопротивления при этом направлена вниз и способствует заглублению ножа в почву. Величину угла у для данного рабочего органа можно определить экспериментально.

В результате проведенного анализа процесса резания корней сеянцев получены зависимости сил, действующих на рабочий орган с учетом его геометрических параметров и особенностей выполняемого технологического процесса, которые могут использоваться при разработке корнеподрезчиков и выкопочных машин.

Библиографический список

1. Кленин, Н. И. Сельскохозяйственные машины [Текст] / Н. И. Кленин,

И. Ф. Попов, В. А. Сакун. - М. : Колос, 1970. - 456 с.

2. Турбин, Б. Г. Сельскохозяйственные машины [Текст] / Б. Г. Турбин,

А. Б. Лурье, С. М. Григорьев. - М. : Машиностроение, 1967. - 583 с.

Лесотехнический журнал 2/2014

219