Посадка лесных культур лесопосадочными машинами во многом зависит от бороздообразующих и уплотняющих рабочих органов машины. Поэтому, как будут работать они в отдельности и в зависимости друг от друга, будет определяться качество посадки лесных культур, а также конструктивные параметры самой лесопосадочной машины. Исходя из этого, уделено внимание рассмотрению процесса взаимодействия почвенной среды с бороздообразующими и уплотняющими рабочими органами лесопосадочных машин — движение почвенных частиц после прохода сошника и впереди уплотняющих катков (рис. 1).
Рис. 1. Направление перемещения почвы при взаимодействии сошником (а) и уплотняющими катками (б)
После прохода сошника почва поступает и заполняет посадочную щель равномерно с обеих сторон, заполнение происходит за счет осыпания почвы за задним обрезом сошника, начиная снизу. Процесс осыпания протекает во времени, в течение которого сошник проходит путь со скоростью агрегата, поэтому смыкание почвенных масс происходит на некотором расстоянии сошника и зависит от типа, состояния почвенной среды и скорости посадки.
В свою очередь перед ободом катка образуется уплотненное ядро, направленное вперед под углом к вертикали, при перемещении которого верхний слой почвы, находящийся над ядром, поднимается вверх и разрыхляется. Это вместе со скольжением почвы по поверхности обода образует перед катком почвенный валик.
От сошника и уплотняющих катков в посадочную щель поступают два почвенных потока, направленные на встречу друг другу с разными скоростями. Заполняемость посадочной борозды почвой обеспечивается, когда почвенный валик от катков будет совпадать с концом процесса осыпания почвы после прохода сошника
На основании рассмотренных факторов движения почвенной массы после прохода сошника и перед уплотняющими катками величина расположения данных рабочих органов на раме лесопосадочной машины (L) определяется расстоянием точки смыкания почвенных волн за сошником (LП) и длиной почвенного валика перед катками (DL), в зависимости от их конструктивных параметров, физико-механических свойств почвенной среды и условий посадки (рис. 2)
. (1)
Рис. 2. Схема к определению расстояния между сошником и уплотняющими катками
С целью обоснования компоновки рабочих органов лесопосадочной машины проведены аналитические исследования. Рассмотрен процесс движения почвенных частиц за задним обрезом сошника (рис. 3).
Рис. 3. Схема движения почвенной частицы за задним обрезом сошника в координатах XOY
Перемещение элементарной частицы до ее полной остановки по ходу движения сошника относительно его заднего обреза определяется [1]
, (2)
где LЧ — длина перемещения почвенной частицы, см; LС — расстояние, пройденное сошником после схода элементарной почвенной частицы, см.
На основе выявленных главных факторов и критериев процесса посадки саженцев получены уравнения движения почвенных частиц за задним обрезом сошника в продольно-вертикальной плоскости [2]
, (3)
, (4)
где V-скорость движения частицы, см/с; g-ускорение свободного падения, см/с2; y-угол естественного откоса; с — сцепляемость почвы, Н; Yу- вес частицы, Н; h0-высота осыпи почвы в посадочном месте, см; f-коэффициент внутреннего трения; t-время движения почвенной частицы, с.
Определен путь перемещения почвы за задним обрезом сошника [3]
, (5)
где e-угол наклона боковых граней сошника относительно дна борозды; j-угол внутреннего трения; h-глубина посадки, см; Q-угол раствора боковых граней; b-ширина сошника, см.
Результаты исследований позволили построить графические зависимости перемещения почвенных слоев от ширины и скорости движения сошника, влажности почвы, глубины посадки. Увеличение скорости движения сошника, влажности почвы и глубины посадки в пределах, указанных на рисунке 4, приводит к увеличению расстояния смыкания почвы за сошником на 50–60 %. Увеличение ширины сошника способствует уменьшению расстояния смыкания почвы на 45–55 % [4].
Рис. 4. Зависимость перемещения почвенных слоев: а — от скорости движения (W=20 %, 1,2 — серийный, 3,4 — экспериментальный сошник); б — от влажности (V=0,42м/с); в — от глубины посадки (W=20 %, V=0,42м/с); г — от ширины боковых стенок сошника (1 — глинистые, 2 — песчаные почвы)
В результате теоретических исследований получена формула высоты осыпи почвы в посадочной борозде после прохода экспериментального сошника [5]
. (6)
Определение высоты осыпи почвы по предлагаемой формуле позволяет с достаточной точностью оценить полноту заделки посадочного места при самоосыпании почвы после прохода сошника.
Получено аналитическое выражение длины почвенного валика, образующего перед уплотняющими катками. Длина образовавшегося в продольной плоскости почвенного валика DL определяется из полной длины деформированной почвы катками Lп и длины деформации непосредственно под ними L1 (рис. 5)
. (7)
Рис. 5. Перемещение почвенных слоем перед уплотняющими катками
Длина почвенного валика, образовавшегося перед катком равна [6]
, (8)
где r0 — радиус катка, см; Е — статический модуль деформации грунта, Н; W — коэффициент, зависящий от вида грунта; V — скорость движения катков, м/c; Gк — вертикальная нагрузка на каток, Н; B — ширина обода катка (профиля шины), см; J — коэффициент увеличения ширины колеи; sср — среднее нормальное контактное напряжение, Н.
Величина почвенного валика зависит от конструктивных параметров уплотняющих катков, скорости их движении, а также от физико-механических свойств почвы. За счет коэффициента J формула применима как для катков на жестком ободе, так и на пневмашинах. Увеличение скорости движения катков приводит к уменьшению длины почвенного валика перед катками в 1,3 раза (рис. 6).
Рис. 6. Зависимость длины почвенного валика от скорости движения катков
(a=20°, r0=230 мм, W=0,01)
1 — металлические; 2 — пневматические
Производственные испытания лесопосадочной машины (на примере СБН-1А) показали, что полная заделка посадочной борозды почвой обеспечивается при следующих параметрах: скорость посадки 0,27…1,38 м/с; расстояние между задним обрезом коробчатого сошника и передней точкой диаметра уплотняющих катков — 200…250 мм (в проекции на горизонтальную плоскость); расположение посадочного аппарата относительно заднего обреза сошника составляет 100…150 мм. При таких параметрах обеспечивается равномерное уплотнение почвы в зоне расположения корней саженцев. Увеличивается плотность почвы в зоне заделки корневой системы в 1,35…2,8 раза и составляет 3,8…6,1 МПа. Глубина заделки корневой шейки саженцев равна 2,03 ±0,2 см. Приживаемость лесных культур повышается на 15–20 % и составляет 95,1 %.
Литература:
1. Бартенев И. М. Шабанов М. Л. Движение почвенных частиц за задним обрезом сошника лесопосадочной машины / Повышение эффективности лесозаготовок малолесных районов: Межвуз. сб. науч. тр.- Воронеж: 2002. — Вып № 2 — с. 52–56.
2. Бартенев И. М. Шабанов М. Л. Влияние формы сошника лесопосадочной машины на деформацию почвы / Материалы междунар. науч.-практич. конф. — Воронеж, 1998. — с.86–87.
3. Шабанов М. Л. Влияние скорости посадки на расположение бороздообразующих и почвозаделывающих рабочих органов на раме лесопосадочной машины / Вестник. — Воронеж, 2002, Вып.№ 1 — с. 35–37.
4. Шабанов М. Л. Деформация почвы при работе лесопосадочных машин. Мат. моделирование, компьютерная оптимизация технологических параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: Межвуз. сб. науч. тр. — Воронеж, 2000. — с.30–34.
5. Шабанов М. Л. Обоснование расположения рабочих органов на раме лесопосадочной машины / Воронеж. гос. лесотехн. акад. -Воронеж, 2001. -8 с. Библиогр.: 2 назв. Деп. в ВИНИТИ. 22.01.02, № 105-В 2002.
6. Шабанов М. Л. Определение величины почвенной волны перед уплотняющими катками / Повышение эффективности лесозаготовок малолесных районов: Межвуз. сб. науч. тр.- Воронеж: 2002. — Вып № 2 — с. 246–249.
