Россия
Россия
Лесовосстановительные работы, в том числе с сеянцами с закрытой корневой системой характеризуют-ся высокой трудоемкостью и энергозатратами. В настоящее время посадка сеянцев с закрытой корневой систе-мой осуществляется вручную или с использованием лесопосадочных машин, агрегируемых с тракторами, где оператор подает сеянцы в посадочный аппарат. При использовании автоматических агрегатов на манипуля-торах харвестеров или экскаваторов сеянцы также извлекаются вручную, что указывает на зависимость от человеческого фактора и слабые места технологии. Актуальность исследования заключается в разработке ав-томатизированной системы подачи сеянцев. Объектом исследования данной научной работы является процесс извлечения сеянцев с закрытой корневой системой из ячеек кассет. Предмет исследования – усилие, возникаю-щее при извлечении сеянцев с закрытой корневой системой из ячеек. Цель работы – определение усилия, возни-кающего во время извлечения сеянцев с закрытой корневой системой из ячеек кассет при заданных условиях, необходимого для разработки автоматизированной системы подачи сеянцев в посадочный аппарат. В процес-се работы проводилось исследование влияния параметров корневой системы сеянца на величину усилия, не-обходимого для извлечения сеянца из ячейки. Исследование проводилось на базе универсальной испытатель-ной машины УТС-110МН-30-0У, где измерение усилия в процессе извлечения сеянца из ячейки каждого опыта осуществлялось и записывалось в реальном времени. Результаты исследования: выполнен расчет усилия при извлечении сеянца из ячейки с использованием прикладной математической программы Mathcad; получена зависимость величины усилия, необходимого для извлечения сеянца из ячейки от параметров корневой систе-мы; экспериментально определено максимальное и минимальное значение усилия, необходимого для извлече-ния сеянца из ячейки. Полученные результаты, в дальнейшем, будут использованы для оптимизации подбора исполнительных элементов разрабатываемой автоматизированной системы подачи сеянцев в посадочный ап-парат.
лесовосстановление, автоматизация, лесопосадочная машина, сеянец, закрытая корневая система, лесопоса-дочный аппарат
Введение
Проблемы и вызовы современного лесного хозяйства в значительной степени связаны с необходимостью удовлетворения растущих потребностей населения Земли в древесине, используемой для производства множества потребительских товаров [1]. Кроме того, существует необходимость внедрения принципов устойчивого лесного производства, которые обеспечат безопасность работников, поддержат экологический баланс и гарантируют достаточный уровень производительности [2,3]. Реализация этих принципов может быть достигнута путем широкого внедрения автоматизации и роботизации производственных процессов в лесном хозяйстве, особенно для задач, требующих ручного труда, таких как посадка сеянцев с закрытой корневой системой (ЗКС) при искусственном лесовосстановлении.
Анализ существующих устройств и машин, используемых для посадки сеянцев с ЗКС, показывает, что в основном используются простые ручные инструменты и классические сажалки, агрегатируемые с сельскохозяйственными тракторами [4]. Есть также несколько машин, предлагающих определенный уровень автоматизации посадки, особенно в аспекте посадки сеянцев с ЗКС [5-15]. Однако, эти устройства все еще требуют значительного количества ручных операций, таких как перемещение сеянцев из контейнеров в накопители, из которых они затем собираются автоматическими системами для посадки в почву [16-20]. Польскими инженерами разработан прототип мобильного автоматического устройства для выполнения задач по лесовосстановлению (RoboFoR). Основной задачей этого транспортно-технологического комплекса является посадка сеянцев с закрытой корневой системой, которые в процессе лесопосадки извлекаются непосредственно из кассет для выращивания ЗКС [21]. В Швеции разработана автоматическая система подачи сеянцев MagMat для посадочного устройства Bracke. MagMat вмещает 320 ед. посадочного материала в восьми кассетах для выращивания. Устройство еще не находится в коммерческом производстве, но, как сообщают зарубежные исследователи, оценки и анализ рабочего времени показали, что MagMat может обеспечить существенное повышение производительности процесса и снизить стоимость работ по лесовосстановлению [22].
В целях повышения производительности механизированной посадки Risutec Ltd. и UPM Forest разработали автоматическую кассету для подачи сеянцев Risutec APC, которая вмещает более 1200 сеянцев и прикреплена к одноблочному посадочному устройству. Финские специалисты отмечают, что Risutec APC еще предстоит оценить, но можно предположить, что производительность аналогична производительности Bracke P11.a (от 324 до 355 сеянцев в час) с меньшим временем, затрачиваемым на перезарядку кассеты. Сеянцы загружаются по лоткам, избавляя оператора от необходимости вручную загружать их по одному [22].
В течение нескольких лет шведские ученые работали над проектом Autoplant. Концепция проекта включает в себя несколько подсистем, а именно: восстановление и планирование маршрута, автономное вождение (планирование пути), новую технологию восстановления леса с минимальным воздействием на окружающую среду, автоматическую подачу сеянцев, планирование движения стрелы манипулятора с рабочим органом, обнаружение мест посадки и последующее наблюдение. Шведские ученые отмечают, что Autoplant может решить проблемы, связанные с будущим развитием, например, соотношение между стоимостью машины и рабочей скоростью, надежностью датчиков в ответ на вибрации и погодные условия, а также точностью определения размера и типа препятствий во время автономного вождения и посадки [23].
Исходя из вышеизложенного следует, что эффективность механизированной посадки определяется эффективностью подачи сеянцев в лесопосадочный аппарат. При разработке механизма, автоматической подачи сеянцев из кассеты в лесопосадочный аппарат, одним из важных параметров является усилие, возникающее при извлечении сеянца из ячейки кассеты. Поэтому целью данного исследования является определение усилия, возникающего во время извлечения сеянцев с ЗКС из ячеек кассет при заданных условиях. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: определить составляющие усилия, возникающего во время извлечения сеянцев из ячеек; провести расчет усилия извлечения сеянца; провести натурные испытания с последующим анализом результатов.
1. Sobocki S., Adamczyk F., Tylek P., Szaroleta M., Zurowski K., Kormanek M., Szewczyk G., Tabor S., Zwierzyński M., Kaźmierczak M. A Seedling Collection Unit of a Mobile Automatic Device for Forest Tree Planting—An Extended Operating Concept. Forests, 2023; 14(12): 2420.DOI: https://doi.org/10.3390/f14122420
2. Sobocki S., Wojciechowski J., Legutko S., Mac J., Zawada M., Szymczyk S. Field robots development in the aspect of achieving the goals of sustainable agriculture. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, The 25th Edition of IManEE 2021 International Conference (IMANEE 2021), Online, 21–22 October 2021; IOP Pub-lishing: Bristol, UK, 2021; 1235. DOI: https://doi.org/10.3390/f14122420
3. Angelstam P., Bush T., Manton M. Challenges and Solutions for Forest Biodiversity Conservation in Sweden: Assessment of Policy, Implementation Outputs, and Consequences. Land, 2023; 12: 1098. DOI: https://doi.org/10.3390/land12051098
4. Драпалюк М. В., Стасюк В.В., Зеликов В.А. Новые конструкции универсальных лесопасадочных ма-шин для посадки сеянцев с открытой и закрытой корневой системой. Лесотехнический журнал. – 2021. – Т. 11. – № 4 (44). – С. 112–123. DOI: https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2021.4/10
5. Manner J., Ersson B.T. Mechanized tree planting in Nordic forestry: simulating a machine concept for con-tinuously advancing site preparation and planting. J. For. Sci, 2021; 67: 242–246. DOI: https://doi.org/10.17221/203/2020-JFS
6. Ghaffariyan M.R. A short review on studies on work productivity of mechanical tree planting. Silva Balcani-ca, 2021; 22(2): 25-32. DOI: https://doi.org/https://doi.org/10.3897/silvabalcanica.22.e64233
7. Ramantswana M., Guerra S.P.S., Ersson B.T. Advances in the Mechanization of Regenerating Plantation Forests: a Review. Curr. Forestry Rep, 2020; 6: 143–158. DOI: https://doi.org/10.1007/s40725-020-00114-7
8. Soler R.R., Guerra S.P.S., Oguri G., Rodrigues S.A. Economic Evaluation and Performance of a Tree Planting Machine Performing in Two Different Slope Classes and Conditions of Harvesting Slash. Croatian Journal of Forest Engineering, 2024; 45(1). DOI: https://doi.org/10.5552/crojfe.2024.2209
9. Khoza M.J., Ramantswana M.M., Spinelli R., Magagnotti N. Enhancing Silvicultural Practices:A Productivity and Quality Comparison of Manual and Semi-Mechanized Planting Methods in Kwa Zulu-Natal,South Africa. Forests, 2024; 15:2045.DOI:https://doi.org/10.3390/f15112045
10. Liang J., Sawut M., Cui J., Hu X., Xue Z., Zhao M., Zhang X., Rouzi A., Ye X., Xilike A. Object-oriented mul-ti-scale segmentation and multi-feature fusion-based method for identifying typical fruit trees in arid regions using Sen-tinel-1/2 satellite images. Scientific Reports, 2024; 14(1): 18230. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-68991-7
11. Zhu B., Liu J., Yang C., Qu W., Ding P. Power Compensation Strategy and Experiment of Large Seedling Tree Planter Based on Energy Storage Flywheel. Forests, 2023; 14: 1039. DOI: https://doi.org/10.3390/f14051039
12. Wu X., Jiang Z., Zhang L., Hu X., Li W. Optimization Design and Experimentation of a Soil Covering Device for a Tree Planting Machine. Agriculture, 2024; 14(3): 346. DOI: https://doi.org/10.3390/ agriculture14030346
13. Ersson B.T., Sundblad L.-G., Manner J. Cost analysis of seedling supply systems adapted for mechanized tree planting: a case study from southern Sweden. Silva Fennica, 2022; 56(2): 10663. DOI: https://doi.org/10.14214/sf.10663
14. Ghaffariyan M.R. An overview of work productivity evaluation of farm tractors in timber skidding opera-tions. Silva Balcanica, 2022; 23(1): 21-36. DOI: https://doi.org/10.3897/silvabalcanica.22.e82383
15. Герц Э.Ф., Мехренцев А.В., Побединский В.В. Повышение эффективности мультифункциональных машин для ведения интенсивного лесного хозяйства. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. – 2021. – № 1 (379). – С. 138-149. DOI: https://doi.org/10.37482/0536-1036-2021-1-138-149
16. Rautio P., Lideskog H., Bergsten U., Karlberg M. Lean forestry — A paradigm shift from economies of scale to precise and sustainable use of ecosystem services in forests. Forest Ecology and Management, 2023; 530: 120766. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foreco.2022.120766
17. Zelikov V.A., Kadali B.R., Stasyuk V.V., Kazachek M.N. Use of fuses of increased accuracy in the drives of rotary forestry machines. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2020; 012065. DOI: https://doi.org/10.1088/1755-1315/595/1/012065
18. Sikstrom U., Hjelm K., Holt H.K., Saksa T., Wallertz K. Influence of mechanical site preparation on regener-ation success of planted conifers in clearcuts in Fennoscandia – a review. Silva Fennica, 2020; 54(2): 10172. DOI: https://doi.org/10.14214/ sf.10172.
19. Turunen M.T., Rasmus S., Järvenpää J., Kivinen S. Relations between forestry and reindeer husbandry in northern Finland – Perspectives of science and practice. Forest Ecology and Management, 2020; 457: 117677. DOI: https://doi.org/10.1016/j. foreco.2019.117677
20. Huuskonen S., Domisch T., Finér L., Hantula J., Hynynen J., Matala J., Miina J., Neuvonen S., Nevalainen S., Niemisto P., Nikula A., Piri T., Siitonen J., Smolander A., Tonteri T., Uotila K., Viiri H. What is the potential for replacing monocultures with mixed-species stands to enhance ecosystem services in boreal forests in Fennoscandia? For-est Ecology and Management, 2021; 479:118558. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foreco.2020.118558
21. Tadeusiewicz R., Tylek P., Adamczyk F., Pietrzykowski M., Szewczyk G., Szychta M., Kiełbasa P., Sobocki S., Danielak M., Juliszewski T. RoboFoR—Automat do sadzenia drzew. Podstawowe moduły i właściwości funkcjonalne. Nauka Tech. Technol., 2022; 6: 119–136. DOI: https://doi.org/10.7494/978-83-67427-15-9_7
22. Черник К.Н., Лозовой В.А. Анализ производительности машин дискретного действия, применяемых для механизированной посадки сеянцев с закрытой корневой системой. Аграрный научный журнал. – 2024. – № 1. – С. 136-144. – DOI: https://doi.org/10.28983/asj.y2024i1pp136-144.
23. Hansson L., Sten G., Rossander M., Lideskog H., Manner J., van Westendorp R., Li S., Eriksson A., Wallner A., Rönnqvist M. Autoplant—Autonomous Site Preparation and Tree Planting for a Sustainable Bioeconomy. Forests, 2024; 15(2): 263. DOI: https://doi.org/10.3390/f15020263
24. Байдаев Д.М., Егорова Е.М., Фисун М.Н. Прочность на разрыв и якорность корневых систем древес-но-кустарниковых растений в условиях высокогорий. Актуальные проблемы лесного комплекса. – 2006. – № 13. – С. 134-136. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=23749465&ysclid=m6g4j5374n689194023
25. Pruthi T., Srivastava N., Rana V., Kaushik N., Kaur N. Research methodology and design: A powerful tool for scientific data. J Adv Med Dent Scie Res, 2021; 9(11): 52-57. DOI: https://doi.org/10.2176/jamdsr
