Факторы, определяющие подбор выкопочной машины для питомника.

05.12.2019
b_1194.jpg Известно, что в Голландии используют насыпные почвы. При высокой технологии ведения сельского хозяйства там собирают до 100 ц/га пшеницы. Рассказывают, что когда академик-почвовед Константин Дмитриевич Глинка сказал голландцам о том, что у них нет почв, то они ответили ему: «Зато у нас есть урожай!»
Задача доклада – показать алгоритм, по которому, зная почвенно-климатические условия своего питомника, можно подобрать соответствующую технику для завершающей и самой важной фазы «уборки урожая» – выкопки крупномерных саженцев с комом земли. В стоимости технологической цепочки по выращиванию крупномерных растений в грунте питомника стоимость выкопочной машины является самым дорогим звеном, поэтому к её подбору нужно относиться с особой тщательностью. Основные требования к машине: универсальность, с возможностью формировать устойчивые к разрушению кома разного объёма у разных групп растений на разных по физико-механическим свойствам грунтах; способность работать на ограниченном пространстве агротехнологического портала, размеры которого зависят от схемы размещения растений в полях питомника; унификация, с возможностью выполнять как можно больше дополнительных операций ввиду непостоянной загруженности машины в течение сезона; производительность, надёжность и простота эксплуатации. Рынок выкопочных машин, формирующих устойчивый ком, представлен машинами двух типов:

- cамоходными, с дугообразными ножами на вибрационной головке («Pazzaglia» и «Holmac»):

b_1194_2.JPG

Инженеры, перед которыми стояла задача создать очень компактную и маневренную машину (этими требованиями ограничивается использование мощных силовых приводов агрегатов и, соответственно, тяжёлых машин), способную выкапывать крупные кома (табл. 1), нашли оригинальное решение, применив комбинированный способ воздействия на грунт: при статическом воздействии с постоянной скоростью узкого полукруглого режущего ножа на грунт (за счёт малой площади поверхности ножа значительно снижается его вес и сила трения металла о грунт, составляющая от 23 до 42% от суммарного усилия копания (табл.2); за счёт дугообразной формы режущей кромки по сравнению с прямолинейной режущей кромкой усилие резания снижается на 10–15%; за счёт дуговой траектории движения ножа меняется в сторону уменьшения сила, направленная на последовательное преодоление сопротивления расклиниванию > сдвигу > сцеплению (табл.4), ему сообщается знакопеременное колебание (вибрация). Что происходит при этом: в начальный период внедрения ножа в грунт при появлении в грунте предельных напряжений начинают образовываться трещины, обусловливающие отделение массива кома земли. Благодаря достаточной частоте приложения нагрузки (1000 Гц и более), упругие напряжения в грунте не успевают полностью компенсироваться в периоды между колебаниями, и накапливающиеся деформации увеличивают дефекты структуры, что обеспечивает разупрочнение грунта. Таким образом, вибрация рабочего органа, ослабляя силы сцепления между частицами грунта, позволяет уменьшить тяговое усилие, и, соответственно, габариты и вес машины. Но здесь есть и недостаток: из-за возникающих при вибрации в грунте упругих волн, распространяющихся на значительное расстояние, происходит разрушение связей между структурными агрегатами почвы в коме, что приводит к его нестабильному состоянию.

- навесными с прямыми или изогнутыми ножами:

b_1194_3.jpg

Навесные машины с прямыми (фото 3) и изогнутыми (фото 4) ножами имеют традиционную для статического воздействия на грунт конструкцию: рабочие органы (ножи) перемещаются в земле при относительно постоянных скоростях под действием привода гидроцилиндра и собственного веса машины.

b_1194_4.jpg
Питомник растений «Сезоны», Россия (фото автора)

b_1194_5.jpg

Сопротивление грунта внедрению рабочего органа зависит от плотности почвы, глубины внедрения, длины и ширины его кромки, одновременно внедряющейся в грунт, т.е., величина усилия, необходимого для преодоления сопротивления внедрения ножа в грунт прямо пропорциональна длине режущей кромки ножа (лепестка), что приводит к приложению меньшего усилия машиной из четырёх ножей по отношению к машине из трёх ножей (актуально при выкопке растений с диаметром кома более 70 см) и необходимости опции поочерёдного внедрения ножей в грунт. Кроме того, ввиду геометрии формы кома в виде усечённого конуса он получается тяжелее, чем ком, формируемый машиной с дугообразным ножом – в среднем до 50%. Также машины с дугообразным ножом более компактны, чем машины с другими типами ножей, а, значит, и более маневренны в ограниченном рядами растений агропортале.

Таблица 1. Размерные характеристики выкопочного агрегата и формируемого им кома земли.
Таблица 1.JPG
Ввиду большой площади ножа, приходится считаться с преодолением дополнительной нагрузки в виде силы трения (табл. 2), величина которой прямо пропорциональна суммарной поверхности площади ножа.

Таблица 2. Сопротивление трению разных категорий грунтов (Зеленин А.Н., 1968)
Таблица 2.JPG

Таблица 3. Шкала удельных сопротивлений копанию грунтов разных категорий (по Н.Г. Домбровскому, 1985)
Таблица 3.JPG

В.В. Медведев [3] из НИЦ «Институт почвоведения и агрохимии имени А.Н. Соколовского» исследовал прочностные показатели почв (табл. 4).

Таблица 4. Прочностные показатели (сдвиг, трение, сцепление, сжатие и расклинивание) пахотного слоя почв (по В.В. Медведеву, 2013)
Таблица 4.JPG

Зная эти усреднённые показатели удельного сопротивления копанию, механический состав и прочностные показатели почвы конкретного питомника, можно приблизительно просчитать требования по весу и тяговому усилию, предъявляемые к выкопочной машине по максимально возможной нагрузке. Методика расчётов типовая и ею должны владеть продавцы соответствующих машин. Из таблицы 4 видно, что при минимальной влажности прочностные показатели возрастают в 10–50 раз, но ещё более важно то, что при некоторых повышенных значениях влажности различия в показателях между разными по физико-механическому составу почвами исчезают, т.е. прочностные показатели почвы находятся в функциональной зависимости от влажности (климата). Великий русский учёный-почвовед В.В. Докучаев дал определение почве (П) как многофункциональной, поликомпонентной и открытой системе, которая является функцией (f) климата (К), горных пород (Г), рельефа (Р) и биологических организмов (О), умноженной на время (Т) [4]: П = f (К, Г, Р, О) Т. Это объясняет сложившиеся разнообразные системы земледелия в границах определённых почвенно-климатических зон и логично привязанные к ним региональные центры сельскохозяйственного машиностроения. Конкретно нас интересуют исторические места концентрации декоративного питомниководства в части применяемой там техники. Я рассмотрел такой центр в области Тоскана (провинция Пистойя) в Италии, где выпускается техника для питомников марки «Раzzaglia». Для определения типа почв взяты координаты питомника Vanucci Piante. Итак, в провинции Пистойя климат умеренно-тёплый с сухим жарким летом (средиземноморский). Зимой выпадает намного больше осадков, чем летом. Среднегодовая температура +14,1C. Самая низкая средняя температура в течение года в январе (+5С). Среднегодовая норма осадков 873 мм. Я не буду рассматривать климат какого-либо конкретного региона России, отмечу лишь, что все они отличаются от Пистойи сезонными промерзаниями грунта с оттаиваниями, которые приводят к разрушению почвенных агрегатов и разрыхлению почвы весной, что хуже всего сказывается на сохранности кома при выкопке с помощью вибрации рабочего органа.

Почвенные условия

По данным Европейского цифрового архива почвенных карт (EuDASM) и «Атласа почв Европы» Европейского сетевого почвенного бюро (ESBN), почвы на территории питомника Vanucci Piante относятся к субтропической ксерофитно-лесной области коричневых почв естественного происхождения: Eutric cambisol (по cистеме FAO), или Бурозёмы слабоненасыщенные (по системе ЕГРПР) и Dystric cambisol, или Бурозёмы кислые. Содержание гумуса 1–3%; почвы средневосприимчивые к уплотнению (1–2 балла из 5); горизонт от 0 до 80 см не имеет препятствий для распространения корней; водооупора нет до глубины 150 см; водный режим в слое 0–80 см влажный от 3 до 6 мес; хорошо структурированные; содержание Fe2O3 в валовом химическом составе минеральной части почвы 10–18% от прокалённой навески; ёмкость воды в пахотном слое высокая – от 140 до 190 мм/м. Рекомендуемая ESBN система управления водными ресурсами: исключить заболачивание в осенне-зимне-весенний период и засуху летом путём глубокого рыхления, создания дренажных канав по периметру полей и устройство систем полива, создание микроповышений для посадки в них растений. На фото 7 обязательная к применению во всех питомниках Пистойи почвенная фреза, с помощью которой создаются дренажные канавы и микроповышения (фото автора):

b_1194_6.jpg

Для сравнительного анализа были взяты два типа почв России.

Таблица 5. Значения основных физико-механических показателей почв по данным И.И. Фролочкина, В.В. Медведева и ЕГРПР.
Таблица 5.JPG

Как видно из табл. 5, в бурозёмных почвах выше более чем в два раза содержание окислов железа, обладающих коагуляционно-клеящими свойствами, способствующими процессу цементации и, следовательно, образованию прочных и водоустойчивых, высокопластичных монолитных масс, не распадающихся под нагрузкой на агрегаты (фото 8) естественных форм и размеров. Учитывая, что комплексный показатель стабильности структурных агрегатов почвы (число пластичности) на серых лесных и чернозёмных почвах в два раза меньше, чем на бурозёмах, при прочих равных условиях (влажности, величине и размеру зоны приложенной нагрузки) вероятность разрушения кома земли в них под действием на весь объём кома вибрации дугового ножа будет больше, чем от статического воздействия на малое пространство вокруг прямого или изогнутого ножа. На фото 9 видно подтверждение этому: разрушения чернозёмного кома в верхней, сухой его части; в нижней, более влажной, ком держит форму. Выкопать можно, но что будет с ним после погрузок-выгрузок и тряски в пути к конечному потребителю?

b_1194_7.jpg
Фото 8. Выкопанный ком без признаков разрушения, Италия

b_1194_8.jpg
Фото 9. Выкопанный ком с признаками разрушения, Россия (фото автора)

На рис.1, составленном П.У. Бахтиным, чётко просматривается состояние консистенции почвы в зависимости от влажности и класса пластичности, напрямую связанного с гранулометрическим составом почвы. Нужно уметь пользоваться пределами пластичности почвы для уменьшения сопротивления грунта проникновению в него рабочих органов выкопочных машин и их влияния на стабильное состояние кома. В случае машины с дуговым вибрационным ножом это наиболее актуально, т.к. при более плотных сухих грунтах увеличивается время воздействия вибрации на ком при ослабленных внутри- и межагрегатных связях, когда почва находится в состоянии твёрдо-хрупкой и полутвёрдой консистенции.
kov_10.jpg
Рис. 1. Пластичность и консистенция почв в зависимости от влажности, П.У. Бахтин, 1969 год [6]: 1 – предел усадки; 2 – нижний предел пластичности; 3 – верхний предел пластичности; I , II, III, IV – классы пластичности по Аттерберту (соответственно: высокопластич-ные, пластичные, слабопластичные, непластичные); консистенция: Г – твёрдо-хрупкая; Д – полутвёрдая; Е – пластичная; Ж – текучая; К – жидко-текучая. Очевидно, что лучшей консистенцией грунта для выкопки машинами с прямыми ножами будет полутвёрдая при влажности между пределом усадки и нижним пределом пластичности (ближе к нижнему пределу), а для выкопочной машины с вибрационным ножом пластичная при влажности между нижним и верхним пределами пластичности. Для ручной выкопки твёрдо-хрупкая, ближе к полутвёрдой. К сожалению, исследования для определения наилучшего для выкопки физического состояния почвы не проводились. Поэтому за точку отсчёта можно взять показатели твёрдости почв разных типов перед их основной обработкой, определённые В.В. Медведевым (табл. 6), при которых почва находится в равновесном состоянии (физической спелости) и лучше всего крошится при минимальном силовом воздействии на неё.

Таблица 6. Диагностические (равновесные модальные) параметры твёрдости основных почв перед проведением основной обработки, В.В. Медведев, 2013 год.
Таблица 6.JPG

Следует учитывать, что в технологической цепочке использования выкопочной машины с дуговым вибрационным ножом непременным условием является создание развитой компактной корневой системы, формируемой в определённом объёме почвы путём пересадки растений в школках. Здесь я обратил бы внимание на качество и глубину подготовки почвы (фото 10), как залог равномерного распространения корневой системы растений в необходимом для выкопки объёме почвы. Это также позволит уменьшить твёрдость грунта за счёт увеличения порозности почвы, способствующей более равномерному распространению почвенной влаги по объёму и уменьшению необходимой силы приложения рабочего органа выкопочного агрегата.

b_1194_9.jpg
Фото 10. Корневая система ели через 5 лет после посадки «под ямобур» в «колодец» из слежавшейся твёрдой почвы, которая не была предварительно подготовлена, Россия (фото автора)

Выкопочные агрегаты с прямыми и изогнутыми ножами могут работать в более широких диапазонах влажности и гранулометрического состава почвы, формируя при этом устойчивые к разрушению кома. На слабопластичных грунтах лёгкого механического состава логичным будет применение выкопочных машин с полным смыканием по контуру ножей между собой, формирующих ком в виде конуса (фото 11).

b_1194_10.jpg
Фото 11.

Кроме того, и это, на мой взгляд, одно из главных преимуществ машин с прямыми ножами, в основе технологии её использования лежит возможность упаковки кома в жёсткий бандаж и закрепления ствола дерева за верхний контур бандажа, что препятствует разрушению кома и вывороту из комов растений с генетически заложенной слаборазвитой корневой системой (сосна и другие, фото 12).

b_1194_11.jpg
Фото 12.

Выводы

1.      При закладке питомника нужно иметь чёткое представление о почвенно-климатических условиях территории, соответствующей им технологии выращивания и применяемой техники от момента посадки до выкопки растения для продажи.
2.      В отличие от питомниководства с искусственно созданной средой, где зависимость от природных факторов (почва, влага) минимальна, питомниководство открытого грунта требует более тщательного подхода к подбору техники и учёта региональных особенностей места расположения питомника.
3.      Приобретая технику для работы с грунтами у различных производителей, следует помнить, что разработка и выпуск узкоспециализированной техники для питомников привязаны к центрам концентрации питомников и в первую очередь учитываются местные типы почв и климат. Технология и ассортимент растений выбираются под них, а не наоборот.
4.      Выкопочный агрегат является заключительным звеном в технологической цепочке, под которую он создавался. Нельзя получить удовлетворительных результатов по сохранности кома, если работы в предыдущих звеньях цепочки не выполнялись.
5.      Выкопочная машина с дуговым вибрационным ножом применяется в узких пределах, которые зависят от вида почвы и её влажности. Учитывая возможность искусственного создания оптимальной для её работы влажности грунта, можно смоделировать условия, близкие к тем, под которые она создавалась. Но это требует изучения физико-механических свойств почвы собственного питомника в зависимости от влажности и в дальнейшем постоянного контроля этих показателей перед выкопкой.
6.      Считаю нецелесообразным применение выкопочной машины с дуговым вибрационным ножом для выкопки крупномеров с комом земли от 90 см и выше в условиях засушливого климата и отсутствия глубокого рыхления почвы перед её основной подготовкой в школке, потому что очень сложно в таких условиях равномерно «промочить» ком большого объёма. Сопротивление сухого нижнего уровня почвы, как правило, более глинистого, для этих машин критично. Поэтому и не могут машины с заявленной способностью выкапывать растения с комом 110 см и более выполнять эту работу на тяжёлых по мехсоставу грунтах.
7.      Применение выкопочного агрегата с прямым или изогнутым ножом позволяет работать и формировать устойчивый ком на почвах с самым широким диапазоном пластичности, и на мой взгляд, может быть ограничено только наличием в почве крупных камней или её глубокого промерзания. Но и здесь есть выход – это выкопка вручную (фото 13).

b_1194_12.jpg
Фото 13. Сосна, выкопанная вручную, Италия

b_1194_13.jpg

b_1194_14.jpg

Фото 14, 15. Сосны чёрные, выкопанные вручную на каменистых почвах в питомнике «Лес и сад», Донецкая обл. Высота растений 4 и 6 м, диаметр кома 120 и 150 см, вес кома 1200 и 2200 кг (фото автора)

Кроме того, использование выкопочных агрегатов с прямыми ножами позволяет работать в питомниках со сложным рельефом, в микропонижениях и микроповышениях которого грунты находятся в радикально разных по влажности, а значит, и пластичности, кондициях.

8.       При выборе выкопочных машин с прямыми ножами я отдаю предпочтение производителям, профессионально занимающимся созданием только этого вида техники, с возможностью адаптации машин к соответствующему им головному (тяговому) агрегату, который либо уже имеется у вас в наличии, либо вы приобретаете его под данную машину согласно рекомендациям. Специализированные компании более тонко «чувствуют» почву и растения, постоянно мониторят рынок на предмет соответствия их машин меняющимся потребностям и вносят конструкционные и инновационные изменения. Головной (тяговый) агрегат должен быть от известного производителя, имеющего широкую сеть сервисного обслуживания на территории России. Также головной агрегат должен быть унифицирован для выполнения самого широкого спектра работ в питомнике, т.к. выкопочные работы занимают от 30 до 90 дней в году. Всё остальное время эта дорогостоящая техника не должна простаивать.
9       Сажая растения в школку, необходимо иметь чёткое представление, какой выкопочный агрегат будет их выкапывать и какие размеры агропортала нужны будут для его работы. В данном случае размеры агрегата первичны; в зависимости от них рассчитывается схема размещения растений в поле.
10.       Поскольку твёрдость почвы есть функция от плотности и влажности, то считаю целесообразным использование почвенных плотномера и влагомера для проведения работ по определению оптимальной для выкопки консистенции грунта каждого конкретного питомника. Поскольку эта функция очень сложная и зависит от массы изменяющихся во времени показателей, то чёткой прямолинейной её зависимости, как и одной таблетки, для всех не будет. У каждого только своя! Кроме этого, знание плотности грунта имеет ещё и прикладное значение, позволяющее оценить уровень комфортности почвенных условий для роста растений, определить состояние физической спелости почвы для начала проведения весенне-полевых работ, параметры, сроки и необходимость основной и дополнительной обработки в течение вегетационного периода.
11.      Я хочу выразить своё восхищение профессионализмом и находчивостью инженеров-конструкторов, создавших под определённые почвенные условия прекрасно сбалансированную, быструю, «умную», маневренную и компактную, уровня «Lamborghini», выкопочную машину с дуговым вибрационным ножом. В ограниченном агропортале для выкопки на близких к её «родным» почвах и на любых почвах для формовочной подрезки корневой системы без последующей пересадки, альтернативы ей я не вижу.
12.      Питомниководство относится к системе точного земледелия, поэтому только комплексный подход к выбору индивидуальной технологии с учётом почвенно-климатических условий конкретного питомника и умение чувствовать почву, как сложный живой организм, а не как механический субстрат для развития в нём корней, позволят нам собирать наши «100 центнеров с гектара».

Спасибо всем за внимание.





Все новости