Совершенствование конструкций орудий для обработки почвы под посадку лесных культур в пласт

Перед мировым сообществом всё актуальнее встаёт вопрос рациональности использования лесных ресурсов и остановки процессов их деградации, т. к. леса, помимо наличия в них значительного разнообразия природных ресурсов, выполняют средообразующую функцию в биосфере Земли [1], [2]. Интенсивное развитие промышленности, активная лесозаготовка и постоянно возрастающий объём лесных площадей, уничтоженных в результате природных стихийных бедствий, привели к тому, что в настоящее время в лесном хозяйстве всего мира большое значение уделяется процессам лесовосстановления и лесоразведения. Задача увеличения площади лесных ландшафтов имеет первостепенное значение и по причине актуализации климатической повестки в мире, позволяя укрепить экологическую целостность лесонасаждений, тем самым повысив экологический потенциал лесов в виде возможности депонирования ими углерода из атмосферы нашей планеты [3].

Тактика ведения лесовосстановительных работ в разных странах мира определяется природно-климатическими условиями, объёмом лесного фонда и экономическими возможностями. Однако общей тенденцией лесохозяйственного производства является предъявление высоких требований к агротехнике обработки почвы как важному фактору обеспечения создания качественных лесных культур и последующему агротехническому уходу, что способствует ускоренному росту насаждений [4].

2.    Материалы и методы

При создании лесных культур осуществляется механическое воздействие на поверхность восстанавливаемой площади различными машинами и орудиями в виде сплошной или частичной обработки почвы. Выполняемый вид почвообработки должен соотноситься с зональным расположением участка лесовосстановления, обусловленным конкретными условиями — типами условий местопроизрастания, состоянием и происхождением лесокультурных площадей, биоэкологическими свойствами выращиваемых древесных пород [5], [6], [7], [8].

Для осуществления обработки лесных почв используются широко распространённые плуги с лемешными рабочими органами, такие как ПКЛ-70, ПЛП-135, ПЛ-1, а также дисковый плуг ПЛД-1,2 и некоторые другие [9].

Лесные лемешные плуги подрезают пласт снизу и в вертикальной плоскости, а затем поднимают, переворачивают и укладывают его рядом с бороздой в опрокинутом виде, т. е. дерниной на дернину. Заделка произрастающей растительности происходит путём перевёртывания её вверх корнями и придавливания её почвенной массой [9].

В зависимости от почвенных условий (и в особенности от влажности почвы) выделяют следующие основные способы посадки лесных культур (рисунок 1): а — в дно двухотвальной борозды; б — в отваленный пласт с одной стороны от борозды;

в — в микроповышение; г — в отваленный пласт с двух сторон от борозды. Следует отметить, что, по сообщениям лесоводов, большая часть созданных насаждений погибает до момента окончания лесоводственных уходов и смыкания насаждений по целому ряду причин [10], [11].

Рисунок 1. Способы создания лесных культур []

Figure 1. Ways to create forest plantations

При работе по схеме обработки почвы ( а ), которая из-за простоты и дешевизны применяется практически повсеместно, на восстанавливаемых участках создаются плужные двухотвальные борозды (фото 1). При этом образуются два неравноценных лесокультурных места: обеднённое микропонижение — дно борозды и обогащённое дренированное микроповышение — пласт в виде сдвоенной дернины и гумусового горизонта. Однако специалисты лесного хозяйства отмечают, что применение технологии посадки сеянцев в дно плужных борозд эффективно для дренированных почв, однако для многих условий работы данный способ посадки совершенно неподходящий. Посадка сеянцев в дно борозды оправданна, например, для лесостепной и степной лесорастительных зон, которые характеризуются увеличением содержания влаги с глубиной. Борозда в этом случае защищает созданные культуры как от иссушения, играя роль естественного «сборщика» осадков, так и от перегрева [12].

На влажных, сырых и избыточно увлажнённых почвах во всех лесокультурных зонах высадку сеянцев и саженцев, наоборот, необходимо проводить в искусственно созданные микроповышения. Посадка и посев леса здесь могут проводиться в перевёрнутые пласты, однако не сразу, а после их слёживания для устранения пустот и разложения растительных остатков. Кроме того, пласты напахивают на богатых гумусом почвах, быстро зарастающих травянистой и древесно-кустарниковой растительностью.

Фото 1. Пример создания двухотвальной борозды на вырубке при проведении лесовосстановительных работ [фото авторов]

Photo 1. An example of creating a double-mould furrow in a clearing during reforestation operation

На микроповышениях такого типа культуры лучше приживаются и активнее растут. Однако быстрое разрастание нежелательной травянистой растительности на лесокультурной площади вызывает необходимость большего числа агролесоводственных уходов. Поэтому для снижения активности развития сорных растений лесоводами рекомендуется выворачивание вместе с пластом части слабоплодородного подзолистого горизонта с низким содержанием гумуса.

На богатых суглинистых свежих почвах глубина вспашки (толщина перевёрнутого пласта) должна составлять 12—15 см. На суглинистых почвах на вырубках толщина перевёрнутого пласта не должна превышать 15—18 см. При этом вспашку проводят широко распространёнными плугами ПКЛ-70, ПЛП-135 и др. Однако проводимая работа на переувлажнённых почвах, имеющих высокую пластичность, с использованием данных орудий часто приводит к неудовлетворительным результатам.

Пластичность, как физико-механическое свойство почвы, характеризует её способность изменять свою форму под влиянием внешних сил без нарушения сплошности (без разрывов и трещин) и сохранять приданную форму после их устранения [13].

При обработке таких почв подрезаемый пласт после схода с отвала укладывается в виде сплошной ленты на край борозды, что затрудняет дальнейшие возможные работы по посадке растений. Поэтому отраслью лесного машиностроения для повышения эффективности проведения обработки переувлажнённых почв с высокой пластичностью или сильно задернелых почв разработаны орудия с комбинированными рабочими органами.

Рядом заводов-изготовителей выпускается плуг-рыхлитель навесной ПРН-40Д. Данное орудие, предназначенное для комплексной обработки задернелых почв под посадку лесных культур, помимо основных узлов конструкции в виде рамы, навесного устройства, дискового ножа и двухотвального плужного корпуса, содержит две дисковые батареи с балластными ящиками. Батареи размещены по бокам от отвалов и предназначены для дополнительного разбивания почвенных пластов, укладываемых после нарезки борозды на её края.

В Польше предприятием Ośrodek Techniki Leśnej для агрегатирования с тракторами малой мощности разработан двухотвальный плуг для обработки лесных почв LPŻ-30. Особенность его конструкции заключается в том, что позади отвальных поверхностей плужного корпуса установлены прикатывающие цилиндрические катки для дополнительного прижатия пласта к краю борозды и недопущения его возврата в борозду [14].

В развитие предложенного технического решения был разработан лесной плуг LPŻ-75, предназначенный для обработки почвы при лесовосстановлении и лесоразведении в особо сложных условиях, в т. ч. на площадях с преобладанием травянистой растительности или покрытых нежелательной древесной порослью высотой до 1 м [14].

Позади отвальных поверхностей здесь расположены прикатывающие катки с дополнительно размещёнными на них тремя дисковыми ножами, которые обеспечивают прижатие обёрнутых пластов с их одновременным разделением на более мелкие фракции.

В этой же серии лесных орудий выпускается двухотвальный плуг LPŻ PRO 2, выполняющий нарезку борозд глубиной до 15 см под посадку лесных культур на непокрытых лесом супесчаных почвах различной степени задернения и объёма древесно-кустарниковой растительности. Может применяться на раскорчёванных вырубках, очищенных от порубочных остатков [14].

Имеющиеся в конструкции плуга режущие прижимные ролики разделяют обёрнутый пласт на более мелкие фракции и удерживают их таким образом, чтобы они не возвращались обратно в борозду.

3.    Результаты

На основе оценки недостатков технологической схемы обработки пластичных почв с созданием микроповышений по краям борозды в виде уложенных пластов и конструктивных особенностей имеющихся плугов-аналогов в ВГЛТУ с использованием методов 3D-моделирования разрабатывается конструкция лесного плуга для обработки влажных, сырых и избыточно увлажённых почв с высокой степенью пластичности. Сферой применения проектируемого плуга для образования микроповышений по краям борозды являются раскорчёванные полосами вырубки.

Среди основных элементов орудия особое внимание следует уделить наличию в его конструкции эффективного узла для разделения сходящих с отвалов пластов почвы на более мелкие фрагменты с одновременным их прижатием к краю борозды для устранения воздушных пустот и недопущения возврата пласта в борозду.

Анализ конструкций серийно выпускаемых лесных плугов показал, что в качестве таких дополнительных элементов могут выступать дисковые батареи (рисунок 3, а). Однако недостатком использования сферических дисков батарейного размещения является то, что помимо размельчения ими почвенного объёма пласта происходит его смещение от края борозды. Помимо этого, при движении дисковых батарей, установленных под определённым углом атаки, по уложенным на край борозды пластам затруднительно добиться согласованного заглубления данных элементов конструкции плуга, что приводит к боковому смещению орудия [15].

Исследованиями, проведёнными в лабораторном почвенном канале кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин ВГЛТУ, установлено, что помимо тягового сопротивления с увеличением угла атаки сферических дисков сила бокового увода батареи также возрастает (рисунок 2).

а

б

Сила сопротивления Fx Выглубляющая сила Fz Сила бокового увода Fy

в

Рисунок 2. Результаты замера силовых показателей работы дисковой батареи по трём осям OX , OY и OZ : а — при угле атаки 10 º, б — при угле атаки 20 º, в — при угле атаки 30 º [результаты исследований авторов]

Figure 2. The results of measuring the power indicators of the disk battery on three axes OX , OY and OZ : (a) at an angle of attack of 10 °, (b) at an angle of attack of 20 °, (c) at an angle of attack of 30 °

Замеры силовых показателей работы дисковой батареи при значении угла её атаки 10º, 20º и 30º выполнялись с использованием специальной тензометрической навески, позволяющей оценить возникающие усилия по трём осям. Время перемещения дисковой батареи в почве специальной тяговой тележкой составляло 25—27 с. Постоянное значение тягового сопротивления после тридцатой секунды объясняется натяжением тензодатчиков в статическом положении.

Другим дополнительным узлом конструкции плугов для обработки лесных почв часто выступают гладкие цилиндрические катки (рисунок 3, б ), но при их использовании пласт лишь прижимается к необработанной поверхности без измельчения. Улучшение рабочих характеристик катков также может быть осуществлено за счёт размещения на них дисковых ножей (рисунок 3, в ), в т. ч. и с криволинейной режущей кромкой (рисунок 3, г ). Однако наибольшую перспективу представляет компоновка узла, в котором на одной оси размещены как дисковые ножи (цельнокрайние или с криволинейной режущей кромкой), так и катки-уплотнители конической формы, установленные по краям (рисунок 3, д , е ).

б

a

e

Рисунок 3. Дополнительные узлы лесных плугов для воздействия на почвенный пласт, уложенный на край борозды [разработки авторов]

Figure 3. Additional nodes of forest plows for influencing the soil layer laid on the edge of the furrow

4.    Обсуждение и заключение

Специалисты лесного хозяйства отмечают, что невысокая доля искусственно созданных лесов в общем объёме лесного фонда складывается вследствие низкого технического уровня лесовосстановительных работ и, в частности, неудовлетворительного качества проведения почвообработки [1]. Поэтому обеспечение требований, предъявляемых к процессу обработки лесных почв, характеризующихся разнообразной типологией, невозможно без использования современных технических средств. Немаловажен и тот факт, что ресурсный потенциал предприятий и организаций-лесопользователей не всегда отвечает требованиям к их эффективной работе, поэтому, помимо прочих, основной характеристикой лесохозяйственных машин должна являться их универсальность. Большая номенклатура требующейся в лесном хозяйстве техники и разнообразие её типоразмеров вкупе с ограниченными финансовыми возможностями предприятий лесного хозяйства требует перехода к блочно-модульному принципу создания лесохозяйственных машин [16].

С учётом данного обстоятельства наличие в конструкции разрабатываемого лесного плуга для возможности работы, в т. ч. и на площадях с высокой степенью увлажнения почвы, съёмных катков позволяет качественно измельчать пласт, не допуская смещения объёмов почвы от края борозды. Конические катки-уплотнители позволяют устранить возникающие пустоты после фрагментирования обёрнутого пласта и ускорить разложение растительных остатков, а значит, сократить срок от выполнения обработки почвы до начала посадки лесных культур.

Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда № 22-79-10010,