Совершенствование машинной технологии утилизации обрезков кроны плодовых деревьев для улучшения качественных и технико-экономических показателей

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 трудои 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, металлои 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).

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 1. На основании вышеизложенных исследований обоснована технологическая схема комбайна, включающая синтез в едином агрегате трех функциональных механизмов: обрезочного элемента модели, измельчающего обрезки кроны и затаривающего щепу. Для контурной обрезки ветвей под необходимым углом в садах системы «Рокрас» предлагается сегментный режущий аппарат с двумя подвижными ножами, совершающими возвратно — поступательное движение. Режущий аппарат может устанавливаться наклонно в пределах от 0 до 90° к вертикали и регулироваться по высоте от 0,5 до 2,5 м.

Из срезанных ветвей формируется лента, которая затем измельчается в щепу и, смешиваясь с воздухом, организуется в транспортивный поток и поступает по трубопроводу в накопитель.

2. Установлено, что для непрерывности технологического процесса синтез агрегата из задействованных в технологической схеме отдельных механизмов базируется на рабочих органах по производительности, увеличивающейся от начала потока к его концу. Главным звеном потока является измельчающий барабан, производительность которого зависит от размеров приемной камеры и способов отвода щепы.

3. Уточнена классификация рабочих органов для измельчения обрезков кроны, которая дополнена новой конструкцией ножевого барабана с четырьмя обособленными от его внутренней полости карманами целью лучшего отвода щепы в воздушный поток.

4. Изучение физико — механических свойств и выполненные исследования позволили установить, что средняя длина измельченной щепы не зависит ни от возраста и толщины побегов, ни от структуры их строения в поперечном сечении, а только от глубины кармана измельчающего барабана и величины модуля продольной упругости растения. Но, поскольку в предлагаемом агрегате побеги подаются к измельчителю лентой, то продольной упругостью можно пренебречь.

5. На основании математического планирования эксперимента и расчетным путем обоснованы параметры измельчающего барабана: диаметр, равный 635 мм и его длина 1170 мм. Изучено влияние трех факторов на количество измельчения щепы при утилизации обрезков кроны (величина подачи, частота вращения барабана и его длина). Получено уравнение регрессии качества измельчения (однородности щепы) от конструктивных и режимных параметров измельчающего барабана.

6. Однородность щепы интенсивно возрастает при увеличении частоты вращения барабана и его длины. Чем выше эти параметры, тем больше количество частиц, измельченных до длины 40 мм. При длине барабана 0,2 м с подачей 2,2 кг/с однородность щепы составила 50,2%, а при длине 0,1 м — всего 34,3%. При тех же условиях, но с длиной барабана 0,3 м однородность повысилась до 76%. С увеличением подачи однородность щепы резко снижается: при одной и той же длине барабана и постоянной частоте его вращения однородность щепы при 540 об/мин составила 79,3% при подаче 1,1 кг/с, а при подаче 3,3 кг/с — только 49,3%- также и при частоте 1000 об/мин однородность щепы снизилась соответственно с 95,2% до 62,6%.

7. В разработанной методике инженерного расчета комбайна для утилизации обрезков кроны представлены подходы к обоснованию параметров и режима работы агрегата для обрезки ветвей, для измельчения обрезков и транспортировки измельченной щепы в бункер.

8. Разработанная конструкция комбайна предлагается кроме садоводства для утилизации обрезков деревьев также в городском хозяйстве и для измельчения высокостебельных сельхозкультур.

9. Усовершенствованная механизированная технология утилизации обрезков кроны плодовых деревьев с использованием комбайна в отличие от применяемой включает две операции: обрезку кроны с измельчением и сбором щепы в бункер и вывоз щепы из сада, сокращая количество технологических операций и устраняя вредное в экологическом отношении сжигание ветвей. При этом затраты труда сокращаются в 12 раз, эксплуатационные — на 25%, а приведенныена.

6%. Годовой экономический эффект по приведенным затратам в садоводстве по системе «Рокрас» на площади 500 га составит 2,3 млн. рублей.