автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование размещения технологических путей с учетом несущей способности грунтов и экологических требований в лесах Европейско-Уральского региона



На правах рукописи

Шаров Алексей Юрьевич

ОБОСНОВАНИЕ РАЗМЕЩЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПУТЕЙ С УЧЕТОМ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУНТОВ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ В ЛЕСАХ ЕВРОПЕЙСКО-УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА

05.21.01. Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Шаров Алексей Юрьевич

ОБОСНОВАНИЕ РАЗМЕЩЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПУТЕЙ С УЧЕТОМ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУНТОВ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ В ЛЕСАХ ЕВРОПЕЙСКО-УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА

05.21.01. Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре сухопутного транспорта леса Санкт-Петербургской лесотехнической академии.

Научный руководитель кандидат технических

наук, профессор Салминен Э.О.

Официальные оппоненты

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор академик РАЕН Патякин В.И., кандидат технических наук, доцент Кочанов А.Н.

ЦНИИМЭ, Химки

Защита диссертации состоится 25 ноября 1998 г. в часов на заседании диссертационного Совета Д 063.50.01 в Санкт-Петербургской лесотехнической академии /194018, Санкт-Петербург, Институтский пер. 5, главное здание, зал заседаний I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан " " 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор, академик РАЕН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Лесопромышленный комплекс России в целом и всех без исключения субъектов Федерации переживает в настоящее время острый экономический кризис, характерными признаками которого являются:

- резкий спад производства основных видов лесоматериалов (в 3-4 раза по сравнению с 1988 г.);

- нерентабельная работа более половины лесопромышленных предприятий и, как следствие, их неплатежеспособность;

- низкая производительность труда;

- полное прекращение строительства новых предприятии и многократное снижение технического обновления производства;

- снижение жизненного уровня жителей лесных поселков, снижение внутреннего потребления лесоматериалов.

В связи с ухудшением общего экономического положения лесной отрасли вызывает опасение практика ведения лесозаготовок без учета возможности последующего лесовосстановления, обеспечивающего непрерывное лесопользование. Такое положение сложилось несмотря на то, что мировая общественность особое внимание обращает на проблемы связанные с сохранением среды обитания всего многообразия форм животного и растительного мира. Как отметила конференция ООН по окружающей среде и развитию, проходившая в июне 1992 г. в Рио-де-Жанейро, в настоящее время над лесными угодьями мира нависла угроза неконтролируемой деградации и преобразовании лесных массивов в другие виды земель.

В связи с этим проектирование транспортно-технологических систем с учетом повреждаемости лесных почво-грунтов при использовании различных транспортно-технологических схем лесозаготовок представляет собой актуальную народно-хозяйственную и социальную задачу.

Тема диссертации посвящена проектированию оптимального транспорт-но-технологического процесса лесозаготовительного производства с учетом сохранения биолого-экологических свойств почво-грунтов Европейско-Уральского региона.

Цель работы. Целью работы является разработка научно-обоснованной классификации устойчивости лесных почво-грунтов к технологи-

ческим процессам лесозаготовок для автоматизированного проектирования транспортно-технологических схем лесозаготовок с учетом технологических, экологических, лесоводственных и экономических требований.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований являлись-.

- почвогрунтовые условия в Европейско-Уральском регионе;

- типы леса и почв, формирующихся под данными типами леса;

- трелевочно-транспортные средства и их взаимодействие с различными поч-во-грунтами в весенне-летне-осенний период.

Для решения поставленной задачи проведены теоретические исследования, заключавшиеся в определении зависимости повреждаемости различных почво-грунтов от местоположения, типов TTC применяемых на лесозаготовках, времени разработки лесосеки, технологии лесозаготовок и типов леса. Теоретические положения подтверждены результатами экспериментальных исследований.

Научная новизна исследований заключается в комплексном учете технических и технологических параметров, экологических и лесоводственных требований при разработке классификации устойчивости лесных почво-грунгов к технологическим процессам и установлении как теоретически, так и экспериментально математических зависимостей процесса повреждаемости ездовой поверхности с учетом изменения модуля деформации почво-грунтов в весенне-летне-осенний период. На основе разработанной классификации лесных почво-грунтов и анализе различных транспортно-технологических схем лесозаготовок разработана программа проектирования оптимальных транспортно-технологических систем лесозаготовительных предприятий. В данной программе учтены экологические и лесоводственные требования, возможность использования различных видов TTC при использовании различной технологии лесозаготовок, а также необходимость укрепления ездовой поверхности, с использованием различных типов укрепления, в различных по классу почво-грунтах.

Значимость для теории и практики. Предложенная классификация почво-грунтов позволяет:

- оценить повреждаемость различных почво-грунтов исходя из типов леса и почв с учетом экологических требований;

- планировать необходимость укрепления технологических путей на различных почво-грунтах с учетом лесоводственных требований при различных транспортно-технологических схемах разработки лесосеки;

- автоматизировать процесс проектирования оптимальных транспортно-технологических систем лесозаготовительных предприятий и, следовательно, минимизировать затраты на транспортно-технологический процесс лесозаготовок.

Научные положение выносимые на защиту.

1. Классификация устойчивости лесных почво-грунтов Евролейско-Уральского региона к технологическим процессам лесозаготовок.

2. Алгоритм и программа автоматизированного проектирования транспортно-технологических систем лесозаготовительных предприятий.

Апробация работы. Основные научные результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ЛТА им. С.М. Кирова в 1986, 1987, 1988гг., а также на научной конференции молодых ученых лесотехнической академии, посвященной 200 - летию лесного департамента России.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в трех печатных работах, указанных в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 200 стр. машинописного текста, 30 рисунков, 36 таблиц и 320 наименований списка используемой литературы. Приложения включают 67 стр. машинописного текста и 34 таблицы.

Содержание работы

Во введении показана актуальность темы диссертационной работы, сформулирована ее цель, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

1. Состояние вопроса и задачи исследований

В данном разделе выполнен формально-логический анализ связи вы-сотно-географического местоположения почв и грунтов с основными таксационными показателями древостоя, что позволило выделить пять классов почво-грунтов по устойчивости технологическому процессу лесозаготовок. Изучению этих вопросов посвящены труды В Н. Безрука, В.Р. Волобуева, Н И. Данилова,

В.А. Ковды, Б.П. Колесникова, Ж. Косте, А,М. Кремера, Н.П. Ремезова, A.A. Роде, Г. Санглера, ЕМ Сергеева, Е.П. Смолоногова, В.В. Стефина, В.П. Фирсовой и других.

Данная работа проведена в целях определения многообразия почв и фунтов, а также условий почвообразования для анализа существующих классификаций почв и фунтов, представленных в научных трудах Р.Э. Вески, М.А. Глазовской, В.Я. Григорьева, Г.В. Добровольского, C.B. Зонна, И.С. Кауричева,

A.M. Крамера, И.И. Лебадсзз, Б.Г. Розанова, Г.П. Сурмача, В.Д. Тонко,'-югоза,

B.М. Фридланда и других.

Основной задачей представленной работы является анализ почвофун-товых условий Европейско-Уральского региона и повреждаемости почво-фунтов с учетом транспортно-технологического процесса. Для решения поставленной задачи был проведен анализ математических моделей взаимодействия движителя TTC с почво-фунтами на основе нормальной и сдвиговой деформации, а также оценка математических моделей для определения технически возможного количества проходов TTC. Вопросами деформируемости почво-фунтов занимались Г.М. Анисимов, В.Ф. Бабков, Н.И. Безухов, М.Г. Беккер, А.К. Бируля, Д.Я. Вонг, H.H. Гольдштейн, Б.А. Ильин, Е.Д. Львов, В.Ф. Платонов, А.Ф. Пронин, К. Терцаги, Н.Я. Хархуга, Б.К. Хоц, H.A. Цитович, Б.Б. Швец и другие.

Следует отметить, что технически возможное количество проходов зависит от деформируемости почво-фунтов (процесса колееобразования) и не отражает влияния TTC на биолого-экологические свойства почво-фунтов. Вследствие этого был проведен анализ влияния TTC на биолого-экологические свойства почво-фунтов Европейско-Уральского региона. Изучению данного вопроса посвящены научные труды Ю.Д. Абатурова, В.Я. Агейкина, И.Л. Баневой, Б.М. Большакова, И.Н. Васильева, И.И. Водяника, В.Н. Горбачева, В.А. Горбачевского, В.Н. Данилика, С.Г. Жендаева, З.Г. Залибекова, H.A. Забавникова, Р.П. Исаева, A.C. Козобородова, А.М. Кононова, H.A. Коновалова, В.Н. Меньшикова, В.В. Миронова, В.И. Обыденникова, A.B. Побединского, М.В. Рубцова, Ю.Е. Рыськина, B.C. Серого, H.A. Соколовской, В.Г. Тихоновой, 3 Шакунаса, Д.И. Шеховцева и других.

В соответствии с целью работы, значимостью и состоянием проблемы были поставлены следующие задачи исследований:

- разработать классификацию почво-грунтов Европейско-Уральского региона для использования в технологических целях, с уметом экологических требований;

- дать оценку работоспособности технологических путей расположенных на различных по классу почво-грунтах при использовании различных видов TTC;

- дать оценку влияния способов рубки и механизмов, применяемых на лесозаготовках, на различные по классу г.счзо-грунть; с учетом лесоводсгвеккых требований;

- дать экономическую оценку использования различных транспортно-технологических систем на лесозаготовках в различных по классу почво-грунтах с учетом экологических и лесоводственных требований.

2. Влияние трелевочно-транспортных систем на эколого-биологическую устойчивость лесных почво-грунтов

Для прогнозирования процесса колееобразования, с учетом типа местности по увлажнению, рекомендуется использовать следующие математические

зависимости:

- первый тип местности, относительная влажность менее 0.75

тт qK{A+BN+C\aN)

где: H - глубина колеи;

q - удельное давление TTC на почво-грунты;

А, В, С - коэффициенты, зависящие от параметров ходовой части TTC и свойств почво-грунтов; Е - модуль деформации почво-грунтов в весенне-летне-осен-

ний период; К- эмпирический коэффициент; Л/ - число проходов TTC.

- второй тип местности, относительная влажность от 0.75 до 0.9

TJ qK(A+B InN)

H = £

- третий тип местности, относительная влажность более 1.0

jj qK(A+BM) л = -Е

Параметры А, В, С , характеризующие нарастание глубины колеи, не учитывают многообразия почво-грунтов, влияния типа леса на ездовую поверхность, типы TTC, экологические требования, нарушение которых приводит к изменению лесорастительных условий, что затрудняет дифференцированное использование данных формул без проведения экспериментальных исследований в различных почвогрунтовых условиях.

Технически возможное количество проходов TTC в большинстве случаев не соответствует экологическим требованиям. Основными критериями, имеющими в настоящее время большое лесоводственно-экологическое значение, являются предельное уплотнение и пористость аэрации почво-грунтов. Значения этих величин определяются по формулам:

А, В, С - коэффициенты, зависящие то параметров ходовой части TTC и свойств почво-грунта. Р - давление TTC на почво-грунты; N - число проходов TTC; VV - влажность почво-грунтов.

где: п - пористость %.

Пористость почво-грунтов в зависимости от влажности и давления TTC

у <р = A + B\si(PN)+C\a{W)

где: уар - плотность почво-грунта;

пш = 100 -(2.7 - 0.027п)(37 + W)

на почво-грунты определяется по графику, рис. 1.

n% А 60.0 55.0

Ц0 и (là <00 «{là 1<ю«Па 4000к(к

50.0 45.0 40.0

35.0

30.0

->

0 5 10 15 20 25 30 W%

Рис. 1. Зависимость пористости почво-грунтов от давления TTC и влажности почво-грунтов.

На основе анализа почвогрунтовых условий Европейско-Уральского региона и существующих методов классификации почв и грунтов, в целях обеспечения непрерывного лесопользования при использовании на лесозаготовках различных транспортно-технологических систем, почво-грунты Европейско-Уральского региона были разделены на пять классов в зависимости от:

- местоположения;

- типов леса;

- продуктивности древостоев;

- физико-механических свойств;

- биолого-экологических свойств.

I класс почво-грунтов характеризуется высокой устойчивостью к механическим повреждениям при лесозаготовках, после которых плодородие почв снижается незначительно. Модуль деформации изменяется в весенне-летний период от 14.5 до 24.3 Мла, в летне-осенний от 24.3 до 15.1 МПа. Продуктивность древостоев высокая, большое количество жизнеспособного подроста. При сильном повреждении почво-грунтов и снижении плодородия возможен процесс демутационной сукцессии (длительность 100-200 пет). К данному классу почво-грунтов относятся почвы высокобонитетных древостоев, расположенные на хорошо дренированных возвышенностях, средних и нижних третях пологих склонов. Гумусовый горизонт до 50 см., подстилаемый средними и тяжелыми суглинками, реже глинами. Буферность выше средней, среднее накопление техногенного свинца.

Данному классу почво-грунтов соответствует грунтовая модель предложенная Пастернаком.

Осадка под штампом (8) упругая:

гг__ОР___

" ~ £>С] + 4 -,/ С1С2 + 8С2 /£>

где: В - диаметр штампа; Р - нагрузка на штамп; С-[ - коэффициент сжатия; Сг - коэффициент сдвига. Осадка поверхности вокруг штампа (Э) упругая:

с' _p—\cxicrr

° ¿)С,+4/С,С2+8С2/£> t

Природа деформации упругая и после снятия нагрузки они исчезают.

II класс почво-грунтов характеризуется устойчивостью к механическим повреждениям при лесозаготовках, после которых происходит относительно невысокое снижение плодородия. Модуль деформации изменяется в весенне-летний период от 13.5 МПа до 20.5 МПа, в летне-осенний от 20.5 МПа до 14.3 МПа. Сравнительно высокая продуктивность лесов. Жизнеспособного подроста достаточно для лесовосстановления при его хорошей выживаемости. При повреждении почвенного слоя и снижении плодородия почв начинается процесс демутационной сукцессии (длительность 100-200 лет). К данному классу почво-грунтов относятся почвы избирательно-высокобонитных древостоев, расположенные на средних и нижних третях склонов средней крутизны, ровных местоположениях, недостаточно дренируемых спокойных возвышенностях. Гумусовый горизонт до 30см., подстилаемый суглинками и глинами. Буферность выше средней. Среднее накопление техногенного свинца.

Данному классу почво-грунтов соответствует модель упругого однородного полупространства.

Осадка под штампом (S) упругая:

где: ц- коэффициент Пуассона;

Е - модуль деформации.

Осадка поверхности вокруг штампа (S) упругая:

d (l-р2) п . D

S = у Е г arcsin-27

Природа деформаций упругая и после снятия нагрузки со штампа они исчезают.

III класс почво-грунтов характеризуется высокой устойчивостью к механическим повреждениям при лесозаготовках, но при не большом числе проходов (4-7) происходит сильное уплотнение почв, после которого плодородие почвы значительно снижается. Модуль деформации изменяется в весенне-летний период от 15.1 до 26.4 МПа, в летне-осенний от 24.6 до 15.6 МПа. Продуктов-

ность лесов не высокая. Жизнеспособного подроста недостаточно для лесовос-становления, при его не высокой выживаемости. При повреждении почвенного слоя начинается процесс мезосерии (длительность 200-300 лет). При сильном повреждении плодородного почвенного слоя может начаться процесс ксерок-серии (длительность 600-1000 лет). К данному классу почво-грунтов относятся почвы избирательно высокобонитных древостоев с ограниченной породной пригодностью, расположенные на верхних третях холмов, средних и нижних третях крутых склонов. Гумусозыи гориссгтТ 1см, подстилаемый лэгкими и средними суглинками, реже тяжелыми суглинками. Буферность низкая. Высокое накопление техногенного свинца.

Данному классу почво-грунтов соответствует фунтовая модель Черкасова - Клейна.

Осадка под штампом (Б) упругая:

Осадка поверхности под штампом (Эо) остаточная:

= ¿к/Т

где: п - степень упрочнения;

А - число твердости.

Осадка поверхности вокруг штампа (5) упругая:

Связь между деформациями и нагрузкой на штамп нелинейная, после снятия нагрузки деформации исчезают не полностью.

IV класс почво-грунтов характеризуются низкой устойчивостью к механическим повреждениям и при лесозаготовках сильно повреждаются. При этом происходит значительное снижение плодородия почв. Модуль деформации изменяется в весенне-летний период от 11.3 МПа до 17.8 МПа, в летне-осенний от 17.8 МПа до 12.5 МПа. Продуктивность древостоев не высокая. Жизнеспособного подроста не достаточно для лесовоссгановления, выживаемость подроста низкая. При повреждении плодородного почвенного слоя начинается процесс мезосерии (длительность 200-300 лет). При сильном повреждении плодородного почвенного слоя начинается процесс гидросерии (длительность 600-1000

лет). К данному классу почво-грунтов относятся почвы среднебонитетных дре-востоев с ограниченной породной пригодностью, расположенные в долинах рек и слабо дренированных местоположениях. Гумусовый горизонт 12-18 см, подстилаемый средними и тяжелыми суглинками, глинами. Буферность средняя накопление техногенного свинца низкое.

Данному классу почво-грунтов соответствует фунтовая модель линейно-деформируемого полупространства.

Осадка под штзгузпсги (о ) упругая:

Осадка под штампом (5о) остаточная:

где: Ео - модуль общей деформации;

¡ю - коэффициент поперечной деформации.

Осадка поверхности вокруг штампа (в ) упругая:

Осадка поверхности вокруг штампа {¿о) остаточная:

Связь между деформациями и нагрузкой на штамп линейная, но после разгрузки штампа деформации исчезают не полностью, а частично сохраняются как под самим штампом, так и за его пределами.

V класс почво-грунтов, гора, характеризуется очень высокой устойчивостью к механическим повреждениям при лесозаготовках, но при этом происходит очень высокое уплотнение почв по всему профилю (из-за близости горных пород) при малом (2-5) числе проходов. В результате плодородие почв резко -снижается. Модуль деформации изменяется в весенне-летний период от 18.5 МПа до 30.1 МПа, в летне-осенний от 30.1 МПа до 19.0 МПа. Продуктивность древостоев низкая. Жизнеспособного подроста мало, выживаемость подроста низкая. При повреждении плодородного почвенного слоя начинается процесс ксероксерии (длительность 600-1000 лет), при сильном повреждении плодород-

ного почвенного слоя может произойти смена климаксового сообщества. К данному классу почво-грунтов относятся почвы низкобонитетных древостоев с ограниченной породной пригодностью, расположенные на вершинах гор и верхних третях склонов при близком подстилании горных пород. Гумусовый горизонт 3-5 см., подстилаемый супесями, пылеватыми и легкими (реже средними) суглинками. Буферность очень низкая. Высокое накопление техногенного свинца.

Данному классу почво-грунтов соответствует грунтовая модель предложенная Синициным.

Осадка под штампом (Э) упругая:

Осадка под штампом (Эо) остаточная:

с

°0 ~ С

Осадка поверхности вокруг штампа (Б) упругая:

Связь между деформациями и нагрузкой на штамп линейная, но после снятия нагрузки деформации полностью не исчезают.

V класс почво-грунтов, низина, характеризуется очень низкой устойчивостью почв к механическим повреждениям при лесозаготовках (практически отсутствует). В результате происходит очень сильное повреждение почв и снижение лесовосстановительных процессов. Модуль деформации изменяется в весенне-летний период от 10.4 МПа до 14.5 МПа, в летне-осенний от 14.5 МПа до 11.5 МПа. Продуктивность лесов низкая. Жизнеспособного подроста мало, выживаемость подроста низкая. При повреждении плодородного почвенного слоя начинается процесс гидросерии (длительность 600-1000 лет), при сильном повреждении плодородного почвенного слоя может произойти смена климаксового сообщества. К данному классу почво-грунтов относятся почвы низкобонитетных древостоев с ограниченной породной пригодностью, расположенные на слабо дренированных понижениях. Торфянистый горизонт до 60 см,, подстилаемый тяжелыми суглинками и глинами. Буферность очень высокая. Техногенный свинец практически не накапливается.

Данному классу почво-грунтов соответствует грунтовая модель предложенная Фуссом.

Осадка под штампом (So) остаточная:

Sa = P/C

Эти деформации имеют местный характер.

Различная деформируемость лесных почво-грунтов приводит к различной интенсивности нарастания глубины колеи, что требует определения технически возможного количества проходов TTC по различным почво-грунтам.

3. Экспериментальные исследования процесса колееобразования в различных по классу почво-грунтах с учетом экологических требований

Процесс колееобразования имеет различную интенсивность при использовании различных типов TTC на различных по классу почво-грунтах. Общий вид зависимости изменения глубины колеи от числа проходов TTC для I, II, III, V (гора) классов почво-грунтов приведен на рис. 3.1., для IV, V (низина) классов почво-грунтов на рис. 3.2.

H

Рис. 3.1. Зависимость изменения глубины колеи от числа проходов TTC на I, II, III, V (гора) по классу почво-грунтах.

N

Рис. 3.2. Зависимость изменения глубины колеи от числа проходов TTC на IV и V (низина) по классу почво-грунтах.

Изменение модуля деформации различных по классу почво-грунгов в зависимости от времени разработки лесосеки также имеет различную интенсивность. График, отражающий динамику изменения модуля деформации в зависимости от времени разработки лесосеки в различных по классу почво-грунтах, приводится на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Рис. 3.8. График зависимости изменения модуля деформации почво-фунтов от времени в весенне-летне-осенний период, где: 1 - V, гора, класс лочво-грунтов; 2 - III класс почво-грунтов; 3 - I класс поч-во-грунтов; 4 - II класс почво-грунтов; 5 - IV класс почво-грунтов; 6 - V, низина класс почво-грунтов.

4. Программа автоматизированного проектирования оптимальных транспортно-технологических систем лесозаготовительных предприятий с учетом экологических и лесоводственных требований. В результате сложившегося к настоящему времени тяжелого положения в лесной отрасли, основной задачей при проектировании лесозаготовительного процесса является минимизация затрат на транспортно-технологический процесс заготовки древесины в различных типах леса, сформировавшихся на различных по классу почво-грунтах.

В общем виде затраты на транспортно-технологический процесс выражается зависимостью:

S ТЛЗ, MR, TTC, <р[КПГ, Щ Н, К, пав, nnpea, Ггр., ynpeè, y[VOL, TR, КПГ, Щ MR,

Е, С, ПШ, n„pei, угр„ У„ред ]]]'—> min При: fa <у„Ред, Плт ¿nnpei\ VOL <VOLi,„„. В данной зависимости ограничениями являются:

/- функция затрат на транспортно-технологический процесс лесозаготовок;

<р - функция затрат, связанная с учетом экологических требований при проведении трелевочно-транспортных операций на различных по классу почво-грунтах; у/ - функция затрат, связанная с учетом стоимости строительства и содержания волоков при различном типе укрепления ездовой поверхности.

где: КПТ- класс почвотрунтов;

ТМ- тип местности по увлажнению; TTC - тип трелевочно-транспортных средств; ТЛЗ - используемая технология лесозаготовок; Н- глубина колеи в различных по классу почво-грунтах; Е - модуль деформации различных по классу почво-грунтов в весенне-летне-осенний период; MR - расчетный запас леса, назначенного в рубку; n.m - процент воздушных пор;

»чред - предельная пористость аэрации различных по классу почво-грунтов;

Yap - плотность почво-грунтов;

Ynpeà ~ предельное уплотнение различных по классу почво-грунтов;

С - стоимость строительства и содержания волоков;

VOL - максимально возможное число волоков с учетом экологических требований;

TR - требуемое число проходов, для проведения трелевочно-транспортных работ.

Повторяющимися для всех составляющих общей функции затрат являются зависимости, связанные с процессом лесозаготовок в различных почвог-рунтовых условиях. При этом класс почво-грунтов связан с типами леса и типом местности по увлажнению, определяющим гидрологические условия в районе проведения лесозаготовительных работ. В целом, КПГ, ТМ, "ПГС и ТЛЗ влияют на транспортно-технологический процесс, экологическую безопасность лесозаготовок, и экономические затраты на строительство и содержание волоков при различных типах укрепления ездовой поверхности.

Правильное планирование технологического процесса с учетом многообразия факторов, влияющих на эффективность производства, является одним из основных условий рентабельной работы предприятий. При решении этой задачи необходимо учитывать комплексное влияние различных факторов на технологический процесс, что подразумевает минимизацию затрат при проектировании транспортно-технологического процесса, который включает доставку леса от места валки на двор потребителя. Для решения поставленной задачи была разработана программа оптимизации транспортно- технологических систем (OTSIS). Данная программа учитывает экономические, экологические и лесово-дственные требования при использовании различной технологии валки и транс-портно-технологических систем. Алгоритм программы приведен на рис. 4.1. Идеи, заложенные в программе можно использовать при планировании лесозаготовительного процесса не только для отдельных выделов, но и для лесозаготовительных предприятий в целом, что дает возможность наиболее эффективного использования средств, следовательно, обеспечение наибольшей эффективности работы предприятий.

С Начало ^

Ввод исходных данных

Расчет требуе мого числа проходов Выбор класса почво грунтов Учет экологических требований

Рис. 4.1. Схема программы ОТ818.

Для облегчения работы с программой пользователю предлагается установить класс почво-грунтов и вид рубки из массивов типов леса, почв и способов рубки.

На эффективность транспортно-технологического процесса влияют затраты на строительство и содержание волоков при различных типах укрепления ездовой поверхности.

Общая стоимость строительства и содержания волоков составит:

Без укрепления порубочными остатками

С ~ (102 + (18-7.8q)b-Ql)-n руб./км где: Ь - ширина пасеки, км; Q - запас леса на 1 га, м3;

I - длина волока, км; п - число волоков. Первый тип укрепления

С = (102 + (25- Ю.бф-Ъ-Q-I)-п руб./км Второй тип укрепления

С = (102 + (28 - 11.9q)-b-Q l) n руб./км Третий тип укрепления

С = (102 + (30- 13.3q)-b-QI)n руб./км. Основные выводы и рекомендации.

Предложена классификация почво-грунтов по транспортно-технологиче-ской устойчивости к процессу лесозаготовок, позволяющая по таксационному описанию лесосек оценить устойчивость лесных почво-грунтов и обоснованно выбрать транспортно-технологические системы, установить календарные сроки освоения лесосек и типы укрепления технологических путей.

На основе предложенной классификации составлена программа автоматизированного проектирования оптимальных транспортно-технологических систем лесозаготовительных предприятий с учетом экологических и лесово-дственных требований, что позволяет планировать и оптимизировать процесс лесозаготовок.

На основе анализа почвогрунтовых условий Европейско-Уральского ре-тона и различных транспортно-технологических схем разработки лесосеки с учетом разработанной классификации почво-грунтов, экологических и лесово-дственных требований рекомендуется:

- при сплошных рубках и машинной валке применять одностороннюю валку леса и трелевочно-транспортные работы выполнять TTC на гусеничном ходу;

- при сплошных рубках и двухсторонней валке леса с применением TTC на колесном ходу требуется укрепление ездовой поверхности;

- при не сплошных рубках бензомоторным инструментом в I и II классе почво-грунтов целесообразно применять TTC на колесном ходу;

- при не сплошных рубках и машинной валке целесообразно применять TTC на гусеничном ходу;

при проведении лесозаготовок в III классе почво-грунтов использовать TTC на гусеничном ходу;

- при проведении лесозаготовок в III классе почво-грунтов использовать TTC на колесном ходу с дэвлен'/.эм нз почэо-грунты не превышающем 1 4 кг/см^-

- при проведении лесозаготовок в IV классе почво-грунтов использовать TTC только на гусеничном ходу;

- при проведении лесозаготовок в V, гора, классе почво-грунтов использовать TTC только на гусеничном ходу.

Для снижения затрат на проведение трелевочно-транспортных работ рекомендуется снизить давление на почво-грунты различных видов TTC, за счет увеличения геометрической площади (гусеничные машины) и снижения давления в шинах (колесные машины).

При проведении лесозаготовительных работ в первом и втором классе почво-грунтов с использованием агрегатной техники на не сплошных рубках, для уменьшения стоимости лесозаготовок, рекомендуется увеличить общую площадь трелевочно-транспортных путей в 1.5 раза. Данная рекомендация объясняется хорошим лесовосстановлением.

Основное содержание диссертации опубликовано в статьях:

1. Салминен Э.О., Шаров А.Ю. Влияние транспортно-технологических ' процессов на различные по классу почво-грунты с учетом экологических требований. / Сб. науч. тр. Лесосечные, лесоскладские работы и транспорт леса. -СПб.: ЛТА, 1998. - С 48 - 52.

2. Шаров А.Ю. Особенности строительства и размещения технологических путей с учетом несущей способности почво-грунтов и экологических требований в различных типах леса. I Тезисы докладов молодых ученых ЛТА на научной конференции, посвященной 200.летию лесного департамента России.

- СПб.: ЛТА, 1998. - С 53 - 54.

3. Шаров А.Ю. Учет экологических требований при проектировании транспортно-технологических процессов лесозаготовок. / Сб. науч. тр. Лесоин-женерное дело. - СПб. : ЛТА, 1997. - С 77 - 81.

/

Л7

а

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

1

Шаров Алексей Юрьевич

ОБОСНОВАНИЕ РАЗМЕЩЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПУТЕЙ С УЧЕТОМ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУНТОВ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ В ЛЕСАХ ЕВРОПЕЙСКО-УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА

05.21.01. Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург -1998

Содержание.

Стр.

Введение......................................................................................................................................6

1. Состояние вопроса и задачи исследования.........................................10

1.1. Общие положения..............................................................................10

1.2. Анализ почвогрунтовых условий лесной зоны Европейско-Уральского региона......,..................................................................................................................13

1.2.1. Почво-грунты Европейско-Уральского региона..............................................13

1.2.2. Основные факторы, влияющие на почвообразование..........................17

1.2.3. Влияние местоположения на микробиологические процессы формирования почво-грунтов и их свойства....................................................20

1.3. Существующие методы классификации почв и грунтов......................24

1.3.1. Системы классификаций почв и грунтов......................................................24

1.3.2. Прикладные классификации почв и грунтов............................................26

1.4. Оценка влияния лесозаготовительной техники на различные почво-грунты..........................................................................................................................................36

1.5. Постановка задачи исследований..................................................................................47

2. Влияние трелевочно-транспортных систем на эколого-

биологическую устойчивость лесных почво-грунтов................................48

2.1. Анализ взаимодействия движителей трелевочно-транспортных систем с лесными почво-грунтами..............................................................................48

2.2. Изменение модуля деформации лесных почво-грунтов

в весенне-летне-осенний период................................................................................59

2.3. Расчетные модели взаимодействия трелевочно-транспортных средств с лесными почво-грунтами............................................................................65

2.4. Определение технически возможного количества проходов TTC

по лесным почво-грунтам...........................................................74

2.5. Обоснование классификации лесных почво-грунтов Европейско-Уральского региона по устойчивости к технологическому

процессу лесозаготовок........................................................................................................80

2.6. Выводы........................................................................... 88

3. Экспериментальные, исследования процесса колееобразования

в различных по классу почво-грунтах с учетом экологических требований.................................................................................................................89

3.1. Цели экспериментальных исследований........................................................89

3.2. Анализ методов исследований.............................................................................93

3.3. Условия проведения экспериментальных работ и

применяемое оборудование............................................................................................96

3.3.1. Определение деформативно-прочностных и физико-механических свойств почво-грунтов............................................................................................98

3.3.2. Испытания по колееобразованию..............................................................................99

3.3.3. Обработка экспериментальных данных.......................................100

3.4. Экспериментальные исследования по определению изменения модуля деформации различных по классу почво-грунтов в весенне-летне-осенний период.......................................... 102

3.5. Планирование экспериментальных исследований по определению технически возможного количества проходов TTC на укрепленных волоках.......................................................... 105

3.6. Исследование нарастания глубины колеи в зависимости от числа проходов TTC в различных по классу почво-грунтах.............. 107

3.7. Влияние изменения влажности различных по классу почво-грунтов

в весенне-летне-осенний период, на допустимое количество проходов TTC, с учетом экологических требований................ 127

3.8. Определение необходимой толщины укрепления порубочными остатками ездовой поверхности волоков в различных по классу почво-грунтах при использовании различных видов TTC..... 136

3.9. Выводы............................................................................ 143

4. Программа автоматизированного проектирования оптимальных транспортно-технологических систем лесозаготовительных предприятий с учетом экологических и лесоводственных требований..........................................................................................................................................145

4.1. Функции затрат, влияющие на эффективность транспортно-технологического процесса................................................ 145

4.2. Затраты на транспортно-технологический процесс...:....................147

4.3. Влияние экологических требований на затраты и эффективность транспортно-технологического процесса...... 149

4.4. Алгоритм и работа программы оптимального проектирования транспортно-технологических систем................................................................151

4.5. Расчет стоимости строительства волоков при различных типах укрепления ездовой поверхности...................................... 158

4.6. Расчет затрат на строительство и содержание волоков при различном типе укрепления с учетом себестоимости валки при использовании различных механизмов и технологии лесозаготовок......................................................................... 161

4.7. Выводы........................................................................... 165

Заключение............................................................................................................................................................167

Литература.....................................................................................................................................................170

Приложение 1..................................................................................................201

Приложение 2............................................................................

Приложение 3.................................................................................................218

Приложение 4........................................................................................................................................................221

Приложение 5...................г................................................................................................................224

Приложение 6.................................................................................................22®

Приложение!.................................................................................................................................227

Приложение 8...........................................................................................23®

Приложение 9...........................................................................................251

Приложение 10...................................................................................................25®

Приложение 11........................................................................................................................................................263

Введение

Лесопромышленный комплекс России в целом и всех без исключения субъектов Федерации переживает в настоящее время острый экономический кризис, характерными признаками которого являются:

- спад производства основных видов лесоматериалов (в 3-4 раза по сравнению с 1988 г.);

- нерентабельная работа более половины лесопромышленных предприятий и, как следствие, их неплатежеспособность;

- низкая производительность труда;

- полное прекращение строительства новых предприятий и многократное снижение технического обновления производства;

- резкое снижение объемов дорожного строительства;

- снижение жизненного уровня жителей лесных поселков, снижение внутреннего потребления лесоматериалов.

Наибольшие размеры падения производства характерны для лесозаготовительной отрасли (табл. 1.) [33].

Таблица 1.

Динамика объемов лесопромышленного производства по России за 1988-1997 гг.

Наименование Единицы измерения 1988 г 1990 г. 1996 г. 1997 г.

1 2 3 4 5 6

Вывозка древесины млн. м3 354 304 96.8 83.2

1 2 3 4 5 6

Деловая древесина млн. м3 296 256 75.7 65.6

Пиломатериалы ч млн. м 85 75 21.9 19.5

Фанера тыс. м3 1727 1597 972 968

ДСП тыс. м3 5490 5568 1472 1484

ДВП млн. м2 501 483 184 148

Целлюлоза тыс. тонн 8349 7525 3075 3168

Бумага 1 тыс. тонн 5333 5240 2302 2229

Картон тыс. тонн 3249 3085 922 1102

Общая рентабельность предприятий % 7.7 9.5 -7.4 -18.9

В 1997 году, по сравнению с 1996 годом, выпуск древесины в России уменьшился на 15%, производство пиломатериалов - на 10%, бумаги - на 5%. Практически осталось на уровне прошлого года производство фанеры и древесностружечных плит. На 8% увеличился выпуск древесноволокнистых плит и на 20% картона. В 1998 г. тенденция снижения объемов производства на лесозаготовках и в лесопилении сохранилась [33].

В связи с ухудшением общего экономического положения лесной отрасли, следствием чего явилось снижение объемов дорожного строительства, вызывает опасение практика лесопользования без учета возможности последующего лесовосстановления и комплексной полезности лесов в целом. В то же время в последние 10 лет мировое сообщество уделяет особое внимание вопросам, связанным с сохранением среды обитания и всего многообразия форм животного и растительного мира. Как отметила конференция ООН по окружающей среде и развитию, в настоящее время над лесными угодьями мира нависла угроза не контролируемой деградации и преобразования лесных массивов в

другие виды земель [225].

В целях реализации в лесном хозяйстве концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию, были разработаны критерии и индикаторы устойчивого управления лесами Российской Федерации [276]. Устойчивое управление лесами России рассматривается как целенаправленное, долговременное, экономически выгодное взаимоотношение человека с землями государственного лесного фонда и предполагает многоцелевое, непрерывное и неистощительное использование лесных ресурсов, функций и свойств лесов, как имеющих рыночную стоимость (древесина, продукты побочного пользования и т. п.), так и не имеющих таковой (например, воздействие на духовное здоровье народа или сохранение исторических традиций). Критерии устойчивого управления лесами Российской Федерации - это стратегические направления практической деятельности для достижения устойчивого управления лесами. К этим критериям относятся: поддержание и сохранение продуктивной способности лесов; поддержание приемлемого санитарного состояния и жизнеспособности лесов; сохранение и поддержание защитных функций лесов; сохранение и поддержание биологического разнообразия лесов и их вклада в глобальный углеродный цикл; поддержание социально-экономических функций лесов; инструменты лесной политики для сохранения устойчивого управления лесами. Поддержание и сохранение продуктивной способности лесов в первую очередь обеспечивается сохранением при лесоэксплуатации лесных почво-грунтов, как основного фактора лесовосстановления и существования леса.

В связи с этим проектирование транспортно-технологических систем с учетом повреждаемости лесных почво-грунтов при использовании различных

транспортно-технологических схем лесозаготовок представляет собой актуальную народно-хозяйственную и социальную задачу.

Целью работы является повышение эффективности лесозаготовительного производства путем обоснования выбора оптимального транспортно-технологического процесса с учетом физико-механических и эколого-биоло-гических свойств лесных почво-грунтов.

Научная новизна заключается: в создании классификации устойчивости лесных почво-грунтов к технологическим процессам лесозаготовок с учетом технических и технологических параметров, экологических и лесоводственных требований; в предложенных математических зависимостях, позволяющих прогнозировать процесс колееобразования с учетом изменения параметров движителя и деформативно-прочностных параметров различных почво-грунтов; в учете экологических и лесоводственных требований, технических и технологических параметров транспортных средств, типов укрепления волоков, изменения во времени прочностных параметров почво-грунтов при разработке программы автоматизированного проектирования оптимальных транспортно-техно-логических систем лесозаготовительных предприятий.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Классификация устойчивости лесных почво-грунтов Европейско-Уральского региона к технологическим процессам лесозаготовок.

2. Математические зависимости, позволяющие прогнозировать процесс колееобразования с учетом изменения параметров движителя, деформа-тивно-прочностных параметров почво-грунтов и времени выполнения работ.

3. Математическая модель минимизации затрат на транспортно-технологический процесс лесозаготовок.

1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Общие положения

В современных условиях все острее стоит проблема неистощительного, многоцелевого лесопользования [225]. Это связано с истощением запасов спелых и приспевающих лесов в регионах с большой плотностью населения. [227]. Такое положение сложилось в результате не совсем правильного подхода к использованию лесных ресурсов и технологии лесозаготовок:

- концентрированные и сплошнолесосечные рубки без учета лесовосстанов-ления [24, 27, 34];

- использование практически только одной стволовой древесины [33, 83];

- недостаточно полное использование лесосечных отходов и других полезно-стей леса [100, 138];

- недостаточное внимание к эколого-образующей роли лесов [108,185, 268].

В процессе лесозаготовок происходит, как правило, нарушение почвенного покрова и зачастую его полное разрушение [6, 9, 41, 92, 133, 164, 216]. Этот фаю- имеет особенно большое значение в Европейско-Уральском регионе где наблюдается тенденция сокращения площадей высокопродуктивных хвойных и увеличения площадей менее продуктивных мелколиственных лесов [32, 46,55,94,148,197].

При неистощительном, многоцелевом лесопользовании основное внимание уделяется лесовосстановлению, которое невозможно без учета состояния почвенного покрова:

- степени повреждения почво-грунтов при лесозаготовках;

- способности почво-грунтов к регенерации после механических повреждении;

- снижение плодородия почво-грунтов после регенерации [25].

Все эти факторы необходимо учитывать при решении основной задачи первичного лесотранспорта - своевременной доставке леса от места валки до погрузочного пункта с минимальными трудовыми и энергетическими затратами. Отличительной особенностью трелевки леса является собирательный характер и отсутствие обустроенных технологических путей, что предъявляет к трелевке леса противоречивые требования. С одной стороны необходимо обеспечить высокую производительность, с другой стороны, сократить до минимума расходы на строительство и содержание волоков, при этом обеспечивая их достаточную работоспособность на различных почво-грунтах при использовании агрегатной техники на колесном и на гусеничном ходу. Работоспособность трелевочного волока [31] можно оценить возможностью транспортирования по волоку, с учетом повреждаемости и регенерации почво-грунтов, общего объема древесины Qp, определяемого по формуле:

QP=NQ (1.1)

где: N - технически возможное число проходов, зависящее от свойств TTC и типа почво-грунта и учитывающее экологические требования;

Q - рейсовая нагрузка TTC, м3 Для оценки работоспособности и определения возможного числа проходов TTC на различных типах почво-грунтов по экологическим требованиям, необходимо разработать классификацию повреждаемости лесных почво-грунтов с учетом физико-механических, биолого-экологических свойств и влияния на породный состав, тип леса и продуктивность древостоев.

Работоспособность трелевочных волоков можно повысить путем созда-

ния более совершенных движителей TTC повышенной проходимости, что не представляется возможным из-за тяжелого положения сложившегося в лесной отрасли, и укреплением ездовой поверхности. Проходимость TTC определяется его тягово-сцепными характеристиками [3, 4], поэтому возможность движения любой машины определяется из условия:

где: Т - сила тяги; 1

]Г.Р - суммарная сила сопротивления движению.

Критерий проходимости по сцеплению [14] определяется формулой:

n = Kv-f_p±i (1.3)

где: П - критерий проходимости по сцеплению;

К9 - коэффициент сцепления;

/ср ~ коэффициент суммарного сопротивления движению машины с

полезной нагрузкой; i - уклон поверхности.

Критерий проходимости по образованию колеи [104] определяется по формуле:

nh=Ps/P (1.4)

где: Щ - критерий проходимости по образованию колеи;

Р, - предельная несущая способность грунта, МПа;

Р - давление ходовой части машины на грунтовую поверхность, МПа.

В зависимости от конкретных практических целей под проходимостью понимают:

- возможность единичных разовых проходов в условиях бездорожья; возможность регулярного движения в плохих дорожных условиях; экономическая целесообразность движения в условиях бездорожья учитывающая производительность, расход горюче-смазочных материалов, повышенный износ техники и др.

Для решения поставленной задачи необходимо разработать классификацию устойчивости лесных почво-грунтов к технологическим процессам лесозаготовок и обосновать экономическую целесообразность применения различных видов TTC в Европейско-Уральском регионе, характеризующемся особыми условиями для развития лесов и почво-грунтов. Классификация устойчивости лесных почво-грунтов должна учитывать работоспособность трелевочных волоков при м