автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование технологических и технических решений для перспективных технологических процессов подготовки биомассы дерева к переработке на щепу



На правах рукописи

ШЕГЕЛЬМАН ИЛЬЯ РОМАНОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОДГОТОВКИ БИОМАССЫ ДЕРЕВА К ПЕРЕРАБОТКЕ НА ЩЕПУ

05.21.01. Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1997

Диссертационная работа выполнена в Государственном Карельском научно-исследовательском институте лесной промышленности (КарНИИЛП).

Официальные оппоненты: —доктор технических наук, профессор,

академик РАЕН Меньшиков В.Н.

— доктор технических наук, профессор Суханов B.C.

— доктор технических наук, профессор Торопов A.C.

Ведущая организация —АО "Центральный научно-исследо-

вательский институт механизации и энергетики лесной промышленности"

.в

Защита диссертации состоится на заседании диссертационного совета Д063. 50. 01. в Санкт-Петербургской лесотехнической академии (1У4018, Санкт-Петербург, Институтский пер. 5.)

Автореферат разослан "У CJßöCfß^X. 1997 г.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке академии (Санкт-Петербург, Институтский пер. 5)

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Анисимов Г.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В приоритетном направлении развития науки и техники "Экология и рациональное природопользование", утвержденном Правительственной комиссией Российской Федерации по научно-технической политике 21 июля 1996 г., к числу критических технологий федерального уровня отнесены технологии неистощительного природопользования. В связи с этим особую актуальность приобретают технологии, направленные на рациональное использование биомассы дерева и осуществляемые на основе прогрессивных технологических процессов.

В настоящее время процессы подготовки биомассы дерева к переработке на щепу, в особенности пнево-корневой древесины, отходов лесозаготовок и тонкомерной древесины (для таких видов биомассы дерева использован термин "нетрадиционные виды древесного сырья"), осуществляются, как правило, с использованием малопроизводительного и экономически не эффективного оборудования, не отвечающего эколого-лесоводственным требованиям. Для создания перспективных процессов, машин и оборудования, соответствующих современным техническим и экологическим требованиям, не хватает научно обоснованных технологических и технических решений (ТР).

Это обуславливает значимость и необходимость решения научно-технической проблемы повышения эффективности подготовки биомассы дерева к переработке.

Выполнение комплекса НИОКР по проблеме осуществлено в КарНИИЛПе в рамках отраслевых и региональных координационных планов НИОКР, внедренческой тематики, с 1992 г. в рамках 1 направления Государственной научно-технической программы России "Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья".

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: повышение эффективности подготовки биомассы дерева к переработке на щепу на основе прогрессивных процессов, машин и оборудования, созданных с использованием научно обоснованных технологических и технических решений и обеспечивающих освоение пнево-корневой древесины, отходов лесозаготовок и тонкомерного древесного сырья.

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ : процессы подготовки биомассы дерева к переработке на щепу при заготовке пнево-корневой древесины, отходов лесозаготовок и тонкомерного древесного сырья от различных видов рубок; экспериментальные, опытные и серийные образцы техники: АКП-1, ЛП-52, КПК-1.Р-402, ДО-77, ЛО-60, КБ-3, КБ-6, ВЗ-2, ЛТ-189, ЗРУ, Р-418, Р-441.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Разработаны математические модели и определены показатели, характеризующие перспективные процессы подготовки биомассы дерева к переработке на щепу

сучкорезно-окорочными, режуще-раскалывающими, захватно-режущими и другими машинами и оборудованием, основанными на ранее не обоснованных новых технологических и технических решениях.

В их числе математические модели: биомассы пнево-корневой древесины, полученные с использованием ксилометрического и обьемно-весового методов; процесса корчевания, основанные на оценке его физической сущности и учитывающие направление корчующего усилия, параметры корневой системы и физико-механические свойства 1рунта; процессов групповой очистки пневого осмола в окорочных барабанах с ковшеобразными интенсификаторами, вибрационной очистки пней грейферными захватами; очистки тонкомерного сырья одновременно от сучьев и коры в барабанах и бункерных сучкорезно-окорочных машинах, разделки биомассы дерева рехдпце-раскалывающими устройствами, ее сбора и подвозки погрузочно-транспортными машинами с захватно-режущими устройствами.

Обоснованы новые процессы подготовки к переработке пнево-корневой древесины, отходов лесозаготовок н тонкомерной древесины. Для этих процессов разработан комплекс технологических и технических решений (из них 105 на уровне изобретений), проверенных ,на экспериментальных и опытных образцах корчевальных, режуще-раскалывающих, погрузочно-транспортных машин и оборудования (А.КП-1, ЛП-52, КПК-1, Р-402, ДО-77, ЛО-бО, ВЗ-2, ЛТ-189, ЛТ-189М, захватно-режущие устройства, передвижные окорочные и сучкорезно-окорочные машины).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы заслушаны на Международных конференциях: "Проблемы развития лесного комплекса Северо-Западного региона" (1996 г.), "Лес, окружающая среда и новые технологии в Северной Европе" (1993 г.); на секции Научного совета по первому направлению Государственной научно-технической программы "Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья" (1992 г. и 1997 г.); на Всесоюзной конференции "Проблемы и перспективы развития народнохозяйственного комплекса Карелии (1989 г.); на республиканских научно-практических конференциях (1983-1996 гг.), на коллегии Министерства экономики Республики Карелия (1997 г.), на Ученом совете КарНИИЛПа (1973 - 1997гс.).^ Разработанное на основе ТР оборудование награждено двумя медалями ВДНХ, демонстрировалось на Всесоюзных и республиканских выставках, Международных выставках "Лесдревмаш - 1994" и "Лесдревмаш - 1996".

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Реализация результатов работы будет способствовать созданию и освоению прогрессивных процессов, машин и оборудования для подготовки биомассы дерева к переработке на щепу, освоению

нетрадиционных видов древесного сырья. Установленные ресурсы этого сырья, нормативы его образования, таблицы обьемного выхода пнево-корневой древесины разработаны по отраслевому плану НИОКР и использованы при учете пневого осмола.

Обоснованные решения, математические модели, параметры машин и оборудования использованы КарНИИЛПом, ВПКИлесмашем, ОТЗ, Петрозаводскмашем, РМЗ при создании и совершенствовании машин и оборудования: АКП-1, ЛП-52, КПК-1, Р-402, ДО-77, ЛТ-189, ЛТ-189М, ЗРУ к ТБ-1 и ЛТ-189, передвижных очистных установок и внедрены в Карелии при освоении технологических процессов заготовки пневого осмола, отходов лесозаготовок, тонкомерной древесины.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме исследований опубликовано 125 печатных работ и получено 105 авторских свидетельств и патентов на изобретения.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

обоснованные технологические и технические решения на процессы, машины и оборудование для подготовки к переработке пнево-корневой древесины, отходов лесозаготовок и тонкомерного древесного сырья;

математические модели биомассы пнево-корневой древесины, установленные ресурсы нетрадиционных видов древесного сырья в Карелии;

математические модели и показатели процессов: корчевания пней, учитывающие направление корчующего усилия, параметры корневой системы и физико-механические свойства грунта; групповой очистки осмола в барабанах с ковшеобразными интенсификаторами, вибрационной очистки осмола грейферными захватами; очистки тонкомерного сырья одновременно от сучьев и коры в сучкорезно-окорочных машинах, разделки биомассы дерева режуще-раскалывающими устройствами, ее сбора и подвозки погрузочно-транспортными машинами с захватно-режущими устройствами.

технологические процессы: заготовки пнево-корневой древесины машинами манипуляторного типа с комплектом оборудования: виброкорчевателями и режуще-раскалывающими устройствами; подготовки тонкомерной древесины к переработке с использованием сучкорезно-окорочных машин и барабанов; сбора и транспортировки древесного сырья машинами с захватно-режущими устройствами;

комплекс новых (на уровне изобретений) машин и оборудования (АКП-1, ЛП-52, КПК-1, Р-402, ДО-77, захватно-режущиие устройства к тракторам ТБ-1 и форвардерам ЛТ-189М, передвижная очистная и сучкорезно-окорочная машины), рекомендации по их проектированию и применению, результаты исследований и испытаний этих машин и оборудования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОМ РАЗДЕЛЕ изложены результаты изучения состояния НИОКР в области подготовки биомассы дерева к переработке на щепу (особое внимание обращено состоянию подготовки к переработке нетрадиционных видов древесного сырья), сформулированы цели и задачи исследований.

Исследованиями операций, связанных с подготовкой биомассы дерева к переработке, занимались: при заготовке пнево-корневой древесины: ПЛАболь, КА.Беяяев, ВА.Васюков, К А Демин, П.М.Мазуркин, ФА.Медников, Ю.М.Новоселов, Ю.Г.Санников,

A.М.Цыпук; при подготовке древесины на нижних лесоскпадах и ЦБК: С.П.Бойков, А.В-Житков, Б.Г.Залегаллер, В.В.Коробов, ВЯ.Матюнин,

B.Д.Никишов, В.И.Патякин, В.С.Петровский, Н.П.Рушнов, М.Н.Симонов, Г.И.Торговников, А.С.Торопов, Ю.В.Шелгунов; при рубках ухода: К.К-Демин, А.ВЖуков, И.К.Иевинь, В.Г.Питеев, В.С.Суханов; при рубках главного пользования: В А Александров,

B.ИАлябьев, Г.К.Виногоров, Ю.Ю.Герасимов, В.Г.Кочегаров, В.Н. Андреев, Г.МАнисимов, В.Ф.Кушляев, Н.ВЛившиц, В.Н.Меньшиков,

C.Ф.Орлов, ГА.Рахманин, А.К.Редькин и другие ученые.

Исходя из изучения состояния проблемы сформулирована ЦЕЛЬ РАБОТЫ: повышение эффективности подготовки биомассы дерева к переработке на щепу на основе прогрессивных процессов, машин и оборудования, созданных с использованием научно обоснованных технологических и технических решениий и обеспечивающих освоение пнево-корневой древесины, отходов лесозаготовок и тонкомерного древесного сырья.

Основные ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ:

разработать математические модели и определить параметры процессов подготовки биомассы дерева, включая нетрадиционные виды, к переработке на щепу (корчевки и очистки пней, очистки древесного сырья от сучьев, коры и примесей, его разделки, сбора и подвозки);

разработать математические модели биомассы пнево-корневой древесины, таблицы объемного выхода пневого осмола, нормативы образования тонкомерного древесного сырья, оценить ресурсы нетрадиционных видов древесного сырья в Карелии;

разработать и обосновать технологические процессы для эффективной подготовки к переработке пнево-корневой древесины, отходов лесозаготовок и тонкомерной древесины от различных видов рубок;

обосновать технологические и технические решения на процессы, машины и оборудование для подготовки к переработке на щепу пнево-корневой древесины, отходов лесозаготовок и тонкомерного древесного сырья;

исследовать и испытать машины и оборудование для обоснованных технологических процессов, разработать рекомендации по их проектированию и применению.

ВО ВТОРОМ РАЗДЕЛЕ исследованы ресурсы нетрадиционных видов древесного сырья в Республике Карелия и разработаны математические модели биомассы пнево-корневой древесины. Нормативы образования ресурсов этих древесного сырья (N03. %) приняты с использованием результатов исследований КарНИИЛПа, ВНИПИЭИлеспрома, КНЦ РАН и специальных методик.

Величина >10д для пнево-корневой древесины составляет: сосновой - 10,0, еловой - 13,4, лиственной - 11,0; для сучьев, ветвей, вершинок: сосновых - 3,4, еловых - 9,2, лиственных - 5,3; для обломков стволов, поврежденного тонкомера, подроста: сосновых - 1,9, еловых 3,5, лиственных - 2,7.

Нормативы образования тонкомерной древесины (Ы0-щ, %) при промежуточном пользовании лесом приведены в табл. 1, зависимость величины при главном пользовании от диаметра древостоя

показана на рис. 1 (равна сумме норматива (Н0т) Для деревьев диаметром до 16 см и норматива (Ыов) - для вершинной части деревьев с диаметром сечения до 16 см).

Установленные в результате исследований зависимости величины норматива образования ресурсов тонкомерного древесного сырья МОТд при рубках главного пользования от среднего диаметра древостоя характеризуются следующими уравнениями:

для сосны

^отд = 2.15х Ю"3^ -199,21- ^ + 339,14.^, (1)

для ели

Мотд = 2,70х10-3^-218,49-^ + 368,47-^, (2)

для березы

Ыотд = 2.41 х 1О"3^ - 218,35- ^ + 37Ц58- (3)

Результаты исследований и разработки нормативов образования пнево-корневой древесины, отходов лесозаготовок и тонкомерной древесины использованы при прогнозе потенциальных и реальных ресурсов нетрадиционных видов древесного сырья для производства технической щепы в Республике Карелия на 2000 год.

Таблица 1

Величина норматива образования тонкомерного древесного сырья при промежуточном пользовании

Non Nob Nora

С 1 E 1 Л С 1 E 1 Л С 1 E | Л

Прореживание 65 47 57 13 16 15 78 63 72

Проходные рубки 25 23 26 19 20 24 44 43 50 Санитарные выборочные рубки 14 15 17 22 19 23 36 34 40

80

60

W

20

\\ fjora 'береза)

/ /

V- V 4 V * [ / i (ел i)

4

V» ifíáJhc^/l i 4

-v> 4 \ S;,'... 'Ч'-у.;

_ V -------

\л/о£ me) <fe*i) '¿ерем) Ч. V. Ч.. _ ......ал~

/г

и

а

Рис Л. Зависимость норматива образования тонкомерного сырья (Котя) ПРИ главном пользовании от диаметра дерева

Коэффициенты полнодревесности (Кп) определены для штабелей отрезков тонкомерных деревьев, заготовленных на проходных рубках. Величина Кп для вершинной части ели составила - 0,14, сосны - 0,13, смеси частей дерева: елн - 0,22, сосны - 0,24, смеси пород -0,19.

Математические модели биомассы пнево-корневой древесины разработаны для следующих условий: тип леса - сосняки-брусничники и черничники; грунты - супесчаные, песчаные; возраст срубленного древостоя- 126-130 лет; запас до рубки - 120-150 м'^а; бонитет- 1У-У.

Установлены корреляционные зависимости длин пней (1п), бокового (1б) и стержневого (1с) корней, диаметров корневой шейки ), ядра (¿я), пня с корой (ак); массы (Мд), радиуса (Им) и высоты

(hM) прикорневого грунта, обьема свежего (Ve®) и спелого (Ven) осмола от диаметра пня dn:

1П = 53,4+ 1,5 d„, (4)

1С = 24,6+1,3 dn, (6)

Мп = 0,806dn2, (8)

hM = 66,71gdn-50, (10)

16 = 41,2+ 1,13 dn, dm = 0,6+1,16 dn, RM=ll01gdn-79, dK = (dn + 0,4)/0,9,

dg = 0,332dne0,01dn-i,65,

(5)

(7)

(9)

(11)

(12)

Усв = 0,00474£1п- 0,050, (13)

Усп = 0,00416<1П- 0,043. (14)

Разработаны таблицы объемного выхода пневого осмола, установлены показатели расчетного свежего соснового пня. Комплексные исследования показали, что щепа из неокореннон свежей сосновой пнево-корневой древесины, измельченной машиной МРНП-10, имеет следующие характеристики (%): крупная фракция - 3,6, нормальная - 89,9, мелкая - 5,3, пылевые частицы - 1,2, (кора- 2,0, летучие вещества - 1,8, смолистые - 8,8), соответствует требованиям к щепе марки Ц-3 и может использоваться в качестве добавки к балансовой щепе.

Согласно прогнозу ресурсы отходов лесозаготовок и пнево-корневой древесины в Карелии в 2000 г. составят 22 % от объема вывозимой древесины. На 1 га можно заготовить 8,6 мЗ отходов лесозаготовок и 15,1 мЗ пнево-корневой древесины. Ресурсы тонкомерного сырья составят 3,2 млн. м* в год. Значительные объемы ресурсов нетрадиционного древесного сырья (в 2000 г. в Карелии 5,2 млн. мЗ, из них 3,5 млн. м^ может быть направлено на ЦБП) свидетельствуют о целесообразности ускоренного создания техники и технологии дня его заготовки и первичной обработки.

В ТРЕТЬЕМ РАЗДЕЛЕ сформированы технологические процессы подготовки к переработке: пнево-корневой древесины, отходов лесозаготовок, тонкомерной древессины.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОДГОТОВКИ К ПЕРЕРАБОТКЕ ПНЕВО-КОРНЕВОИ ДРЕВЕСИНЫ (ТППД-ПКД). ТППД-ПКД для облесившихся вырубок разработаны исхода из требований: сохранения на вырубках молодняка хозяйственно-ценных пород, минимального повреждения почвы и лесной подстилки, очистки пней от прикорневого грунта (рис. 2а).

Машина типа АКП-1 корчует пни в зоне радиусом 8 м от оси манипулятора, очищает их от грунта, заравнивая им подпневую яму, и укладывает пни рядом с технологическими коридорами, размещаемыми на расстоянии 16 м друг от друга (рис. 2а). Пни подвозят на верхний лесосклад, где их разделывают режуще-раскалывающими устройствами (РРУ), навешиваемыми на манипуляторы машин типа ТБ-1.

Для подготовки свежей пнево-корневой древесины к переработке (рис. 26) рекомендуются корчеватели пней типа КПК-1 и ЛП-52; форвардеры типа ЛТ-189М и ТБ-1 с РРУ.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОДГОТОВКИ БИОМАССЫ ДЕРЕВА К ПЕРЕРАБОТКЕ ПРИ ХЛЫСТОВОЙ ЗАГОТОВКЕ (ТППД-ХЗ). Эффективность ТППД-ХЗ зависит от технологии трелевки леса и освоения отходов лесозаготовок. С использованием морфологического анализа сформированы процессы:

Рис. 2. Схема заготовки ПКД: а) спелой, б) свежей: 1 - погрузочно-транспортная машииа (ПТМ), 2 - вибрационный корчеватель, 3-ПТМсРРУ, 4 - навесной корчеватель, 5 - очистной барабан, 6 - погрузчик, 7 - автопоезд

а) трелевки с обрезкой вершин у погружаемых в коник трактора деревьев захватно-режущим устройством (ЗРУ); б) трелевки хвойных деревьев вершинами, лиственных - комлями вперед.

Разработан процесс разделки бревен и хлыстов режуще-раскалывающим устройством.

Для подготовки к переработке отходов лесозаготовок предложен процесс, по которому при заготовке стволовой древесины отходы лесозаготовок машиной ЛТ-189М с ЗРУ разделывают на отрезки и подвозят на верхний лесосклад для отгрузки.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОДГОТОВКИ БИОМАССЫ ДЕРЕВА К ПЕРЕРАБОТКЕ НА РУБКАХ УХОДА. Установлена эффективность заготовки сортиментов разработанными КарНИИЛПом сортиментовозом ЛТ-189М и харвестером ЛП-62.

При создании перспективных процессов подготовки к переработке тонкомерной древесины выдвинута гипотеза целесообразности производства на лесосеке щепы целлюлозно-бумажного назначения. Для ее оценки предложена совокупность признаков (рис. 3).

Е4

Рис. 3. Совокупность морфологических признаков: А1) сучкорезно-окорочная, А2) раскряжевочно-сучкорезно-окорочная, АЗ) сучкорезно-окорочно-транспортная; В1) деревья, Б2) отрезки деревьев; С1) окоренные хлысты, С2) щепа, СЗ) окоренные отрезки; ЕН) валка, 02) валка-подгаскивание; БЗ) валка-раскряжевка, 04) валка-раскряжевка-подвозка-вьшозка; Е1) технологический коридор, Е2) верхний лесосклад, ЕЗ) лесосека, Е4) биржа ЦБК; Р1) бункерная, Р2) барабанная

На основе исследований сформированы новые процессы: а) подготовки древесины (А1-В2-С3-03-Е2-П) для выработки щепы целлюлозно - бумажного назначения на лесосеке с использованием передвижных сучкорезно-окорочной и рубильной машин (СОМ и ПРМ) - ТППД-ТД1; б) подготовки отрезков деревьев [А1-В2-СЗ-04-Е4-Р2], которые вьшозят на целлюлозно-бумажные предприятия для очнетки от сучьев и окорки - ТППД-ТД2 (рис.4). Перспективные процессы обеспечивают совмещение операций очистки тонкомера от сучьев и коры.

назначение машины..............................А1—-г А2 АЗ

вид обрабатываемого сырья.................ВI —\

вид продукции.........................................С1 С2 '-»-СЗ-

предшествующие очистке операции.....ИI Б2 г—ОЗ-

место очнетки...........................................Е1 |—ЕЗ

тип машины..............................................П^*-1 И2

ф\? ¥ К© ЛСД /¡Л ообл сз, ^ ^ ■Щ^ь

шз/ттщЬ

5П?Ч { ф* }о\о № — Ох /а/К

/ ЭШМШЮ г йПС?

17

Рис. 4. Схемы перспективных процессов: а) ТППД-ТД1, б) ТППД-ТД2: 1- форвардер с ЗРУ, 2 - СОМ, 3 - щеповоз, 4 - рубильная машина, 5 -автопоезд

В ЧЕТВЕРТОМ РАЗДЕЛЕ разработаны технические решения и процессы подготовки пнево-корневой древесины к переработке путем корчевания пней и их очистки ог грунта.

При выборе модели системы "корчующий орган - пень - грунт", опираясь на исследования П.ИАболя, А.П.Орлова, И.Н.Рахтеенко, А.П.Шиманкжа, принято, что армированный корнями прикорневой массив грунта является своеобразным фундаментом дерева, который совместно с корнями сопротивляется корчеванию и подобен монолиту в форме шарового сегмента, а нарушение его связей с примыкающим грунтом происходит в момент, когда напряжения на поверхности этого массива превышают предельные. Теоретические исследования выполнены дня способов корчевания: соосной пню вертикальной силой; выдергиванием с обрезкой корней; опрокидыванием силой, направленной под углом к поверхности земли и смещенной относительно осн пня; выкручиванием.

Предложена формула доя определения величины соосной пню вертикальной силы ТЕ, необходимой при корчевании

Тв = кк[8р]7Л2 + Ом, (15)

где кк - коэффициент влияния корней, выступающих за пределы прикорневого массива грунта; [8р] - нормальное напряжение грунта на разрыв; к - радиус основания прикорневого массива; Ом - сила веса пняс грунтом.

Установлено, что величина кк с увеличением диаметра пней от 16 до 60 см возрастает от 1,17 до 1,76.

Исходя из выполненных исследований, получена зависимость величины Тв от диаметра свежих пней и влажности грунта (рис. 5)

Тв = (0,88-0,014ба)[5р]пК2+Смк. (16)

Величина сопротивления пня опрокидыванию Т0 определена из условия равновесия системы в предельном напряженном состоянии из уравнения моментов внешней и внутренних сил в системе "корчующий орган - пень - грунт"

Т2 (1см + У о) + Ту(2о - Ьш) = Рг(уо + 1р) + Ру^ -

-Ьр^^с-уЛ^го-ЬоНОмУо, (17)

где Wz Wy, Р2, Ру - вертикальные и горизонтальные составляющие равнодействующих внутренних сил У/с и ^р на сжимаемой и растягиваемой поверхностях прикорневого массива; 1см - расстояние от точки приложения силы Т0 до оси пня; Ьсм - ее глубина от

поверхности земли; !р, 1с, Ир, Ьр - координаты точек приложения сил и Рр! У о - координата точки 00, относительно которой происходит поворот пня.

те.*»

ео ¿г ьо гя *5

Рис.5. Расчетная схема для определения сопротивления пня корчеванию

Рис. 6. Зависимость усилия корчевания от диаметра пня и влажности грунта

Получена формула для определения величины Т0

пм

/ В + %(1 - М1[асд,

К+II в

где А = ус (1р + 1с) + сое ус(Ьс - Ьр), В = со» е(1см - 1р) + зт 9 (Ьр - Ьсм).

(18)

(19)

(20)

Установлено оптимальное значение угла между вектором силы Т0 и осью пня

0Ь = агс1д

Ьр~Ьсм 'см ~ 'р

(21)

Получены также формулы для определения сопротивления пней выкручиванию и выдергиванию после обрезки корней кольцевым ножом. Теоретические выводы подтверждены для способов корчевания пней выдергиванием и опрокидыванием.

С помощью экспериментального образца виброзахвата в производственных условиях исследован процесс очистки свежих сосновых пней при амплитуде колебаний (А) 4,..9 мм, частоте (Г) 10...25 Гц.

С использованием программы "31а1згарЫс8" получено многофакторное уравнение зависимости качества очистки Кв от величин А, Г и продолжительности вибрации %

Исследования показали, что технологический процесс с использованием машин типа АКП-1 и РРУ соответствует эколого-лесоводственным требованиям и повышает уровень машинизации работ в 2,2 раза по сравнению со взрывным способом осмолозаготовок.

Комплексные исследования процесса от корчевания пней до производства щепы подтвердили перспективность заготовки свежей ПКД комплектом технологического оборудования к тракторам ОТЗ (корчеватель КПК-1, устройство РРУ и очистная установка барабанного типа).

ПЯТЫЙ РАЗДЕЛ посвящен разработке и исследованиям технических решений и процессов очистки биомассы дерева от сучьев, коры и примесей. На основе функционально-технологического анализа, обобщающего данные С.П.Бойкова, Б.МЛокштанова, В .Я.Матюнина, ВД.Никишова, Г.И.Торговникова и др., построена матрица (рис. 7).

Выполнено моделирование процесса работы ковшеобразных интенсификаторов обработки пневого осмола в барабане. Они должны обеспечивать максимальную высоту (Ьтах) падения пневого осмола (максимальной скорости удара), траектория которой описывается известным уравнением параболы

где а - угол поворота барабана; К - его радиус; - показатель кинематического режима.

Графо-аналитическим методом (рис. 8-9) определено, что величина Ьщах реализуется при подьеме захвата на 35° ...45° от горизонтали, проходящей через ось барабана. Исходя из предположения, что в момент отрыва осмол находится в неустойчивом положении на конце захвата и его перемещение вдоль днища мало, процесс отделения

КВ = 9,1А +0,814 0,513-12,6.

(22)

У = Хс1ёа - ХШ^т^

(23)

¥

Фрагмент матрицы развития барабана

Е

1- г

у

ш

3.1

32

1Ш ! З.Г.2 1 I злз | "3£г

ГзЬ

3.2.3

тй

3.2.4

I 3.3.2 |

3.2.1.1 I I 3.2.1.2

йх

II

3.2£~| | 3.1.3.2

3.2*3.3 I

3.2.4.1

1 3.2 4.2

33.4

3.24.3 I

Гззз

3.3.5

3.3.2.1 К Ч 3.3.2.2 3.3.2.3 Н--4 3.3.2.4

Г 3.3.3.3 |

Рис. 7.

1 - повысить производительность; 2 - обеспечить предварительную подготовку сырья; 3 - активизировать окорку, 3.1 - активизировать относительное перемещение сырья: 3.1.1 - нарушить плоскость обрушения, 3.1.2 - придать кускам дополнительные перемещения (продольные, поперечные, др.), 3.1.3 - вращать секции барабана в разные стороны, 3.2 - увеличить частоту контактирования сырья и

Рабочих органов: 3.2.1 - перемещать рабочие органы относительно арабана и сырья (продольные, поперечные колебания, вращение), 3.2.2 - изменить упругость, 3.2.3 - изменении крепления рабочих органов: 3.23.1 - шарнирное, 3.2.3.2 - гибкое, 3.2.3.3 - свободное), 3.2.4 -изменении» их форму и ориентацию: 3.2.4.1 - приводными, 3.2.4.2 -составными, 3.2.4.3 - использовать дополнительные органы, 3.3 -усовершенствовать форму и характеристики внутренней поверхности барабана: 3.3.1 - обосновать параметры, 3.3.2 - форму (кривизну): 3.3.2.1 - заменить окружность на многогранник, 3.3.2.2 - эллипс, 3.3.2.3 -изменить сечение по длине барабана, 3.3.2.4 - изменить шероховатость, 3.3.5 - упругость поверхности; 4 - поддерживать в барабане требуемую температуру; 5 - интенсифицировать удаление отходов

осмола от захвата рассмотрен при допущении, что величины Корнолисова ускорения и силы инерции незначительны (менее 5 % от силы веса). Для определения величины утла у получено уравнение

0Рсо8(а + у) - 8ш(а + у)] + ю^Щсоау + Г$ту) = 0. (24)

где Г - коэффициент трения, § - ускорение свободного падения, Я -радиус барабана, а> - его угловая скорость. Согласно исследованиям при величинах И = 1,5 ми со = 10,5с*',угол у составит 9° ... 10°.

Рис.8. Траектория падения пневого осмола в барабане по ал.И 880729, 1178591

Рис.9.Схема сил, действующих на пневый осмол

Процесс очистки отрезков деревьев (ОД) от сучьев и коры исследован в барабанах КБ-3, КБ-6. Качество очистки от сучьев (Кс) и коры (Ко) определены по формулам:

Кс=100(Рс-Ро)/(Рс-Рб), Ко= 100(5*-50)/5к,

(25)

(26)

где Ос и Од - соответственно сила веса отрезков с сучьями и без сучьев, О0 - сила веса обработанного отрезка, ^ и 50 - соответственно площадь коры на отрезке до и после обработки.

Показатели качества очистки отрезков от сучьев и коры в барабане КБ-6 при отрицательной температуре приведены в табл. 2.

Таблица 2

Порода отрезка Средняя длина отрезков, м Средний диаметр отрезков, см Качество отделения сучьев, % Качество окорки,%

ОД с сучьями ОД без сучьев

Ель Сосна 1,48 1.58 8,4 8,2 100 100 72 95 65 92

В барабан КБ-3 загружали смесь отрезков деревьев с кроной и без кроны, количество отрезков с кроной соответственно 20 и 50 % от общего объема. Коэффициент загрузки барабана составил 0,5. Результаты исследований обработаны на ПЭВМ с помощью пакета программы "Statgraphics". Выявлены зависимости качества очистки ОД от сучьев (Ко, %) и коры (К0, %) от продолжительности обработки (tD) (рис.10.):

1 Ке

aJ toc

и 60 40 га

Кс ~л */

/ у / / /

/ /

t / /

/ / ¿0. Л;

•Г il 32 Ы

S?

Кс Л / / г /

// // /

ъ j

То, мин -

s г и у; JO

Рис.10. Зависимости качества очистки древесины от сучьев (Кс,%) и коры (Ко,%) от продолжительности обработки (¡.0): а)еловой, б)сосновой

для сосны

^ = 1298,9- ^-279,8-^-10242-^; (27)

К0 = 25,96-^-1,02-1<Г4ф (28)

для ели

^ = 28,3^-2,710 + 0,0112; (29)

Ко = 210. (30)

Установлена целесообразность создания бункерных окорочных установок нового поколения, процессы работы которых исследованы теоретически и экспериментально на моделях и натурных образцах.

При математическом анализе получены зависимости для обоснования и расчетов рациональных параметров бункерных окорочных установок: профиля поперечного сечения бункера, углов наклона его стенок, переходных участков между этими стенками и днищем бункера, параметров кулачкового механизма перемешивания древесины в бункере, устойчивости установки. Анализ показал, что при увеличениии скорости перемещения в бункере отрезки переходят в бесконтактный режим, приводящий к костреншо. Для определения предельной скорости рассмотрим перемещение отрезка в верхней части бункера (рис.11). В положении 2 силы, воздействующие на о-грезок древесины, уравновешены и его скорость равна 0, поэтому

К = М85игр+Ртр, (31)

гае К - сила инерции, воздействующая на отрезок (Р=МА); М - масса отрезка; А - его ускорение между точками 1 и 2; % - ускорение свободного падения; р - угол наклона упорной стенки к горизонтали; Р-ф - сила сопротивления перемещению вдоль этой стенки (Рур = М§К<;бсозр); Кеб ■ коэффициент сопротивления перемещению отрезка по поверхности бункера.

Для определения скорости (у0) отрезка при равноускоренном перемещении и частоты (ту) вращения кулачков высотой Ьк получены формулы:

у0 = Тадвтр+Ксбоир), (32)

w = р + к^ со» р) / Ьк.

(33)

делению скорости

КИ = (Е щ)кп-к, \

Результаты теоретического обоснования параметров бункера и механизма перемешивания пот-верждены в лабораторных условиях. Торцовые стенки установки для исследования процесса перемешивания были выполнены прозрачными и снабжены нанесенной на них сеткой зон по всему поперечному сечению бункера лабораторной установки. При исследованиях введены понятия для величин: Ки и Кп интенсивности и равномерности перемешивания:

(34)

Кр = 100(1 - <£|пср; - пЛ)/( Г £ |Пср)ц - пц|™х), (35)

I • > Л

пер = (Е пО/к, (36)

I

где гц - количество случаев появления модельных отрезков (ОД) в 1-й контрольной зоне; к - количество этих зон; ш - количество типоразмеров ОД; пСр - среднее количество появлений ОД в ¡-й контрольной зоне.

Процесс очистки отрезков деревьев от сучьев и коры исследован в экспериментальных образцах сучкорезно-окорочных машин, включающих трактор ТБ-1 и бункер на колесном шасси с реверсивным перемешивающим механизмом (одного образца - в виде поперечных цепей, второго - в виде кулачковых валош. В машине обрабатывали пачки отрезков деревьев ооьемом 1,5...3,0 м*

Качество очистки (Кс, %) отрезков от сучьев определяли через каждые 30 с, качество окорки (Ко, %) - через 3, 5 и далее через 10 мин обработай. Величины Кс и Ко исследовали в зависимости от: породы (ель, сосна, береза, осина); диаметра отрезка (8-16 см); сезона работы (май - июнь, август - октябрь, декабрь - январь); линейной скорости перемешивания (V = 0,3... 1,2 м/с).

Взаимосвязи величины Кс с продолжительностью обработки 0о) и величиной V характеризуются следующими уравнениями связи (рис.12):

Рис. 12. Зависимость качества отделения сучьев (Кс) от времени обработки (Ч0) и скорости перемешивания (\') при положительной температуре: а) сосна, б) ель

при положительной температуре:

сосна Кс= 5310 + 2 (37)

ель Кс=5610+51у, (38)

береза Кс =5310 + 20у + 5, (39)

осина К« = 55 40 +20у, (40)

при отрицательной температуре:

сосна Кс =4910 + 44у, (41)

ель Кс = 62 г0 - 0,7у, (42)

береза Кс = 5210 + 24у, (43)

осина Кс = 5410 + 23у. (44)

Более 70% сучьев отделялось при v = 0,8-1,2 м/с за 0,8 мин. С увеличением скорости v от 0,3 - 0,5 м/с до 0,8 - 1,2 м/с величина К^ изменяется незначительно (на 2 - 2,5 %). Зимой сучья интенсивно обламываются (70 % у сосны за 0,7 мин, у ели за 1,2 мин).

Кривая нормального распределения и гистограмма для величин Ко обработанных отрезков деревьев показаны на рис. 13 (коэффициент асснмеггрии равен 0,16 < 2, коэффициент эксцесса - 0,69 < 2, среднее значение Ко - 82,1 %, медиана - 82,5 %, мода 80 %).

Установленные при регрессионном анализе взаимосвязи качества окорки от времени обработки характеризуются следующими уравнениями связи:

при положительной температуре:

сосна К0 = 5,510 + 40у, (45)

ель К0 = 6,910 + 90 v, (46)

береза Ко = 12,410 + 9\ - 30, (47)

осина Ко = 5,2 ^ -1 1у + 48, (48)

при отрицательной температуре:

сосна Ко = 2,210 + 30у, (49)

ель Ко=31о-13у, (50)

береза К0 = 2,95 ь0 + 2IV, (51)

осина Ко = 3 ^ - 20у. (52)

Анализ показал, что при положительной температуре отрезки ели окариваются на 70 % за 4, сосны - за 5, осины - за 7 и березы - за 10 мин. При отрицательной температуре осина достигает 70 - процентного качества окорки за 13, сосна - за 19, береза за - 31, ель за - 60 мин (дня получения щепы марки Ц-3).

На основе исследований получены зависимости интенсивности окорки (10) - количества коры, отделяемого от древесины в единицу времени от продолжительности обработки в бункере

соответствующей породы (рис.14):

для сосны

1с = 7,121<А5_о,18гос2 + 0,45, (53)

дгш березы

16 = 0,0806 + 6)2 - 0,14(16* + 6), (54)

для осины

1о = 5,551о0.5-0,0Но3, (55)

где 1с , (б , и 10 - время раздельной окорки в бункере соответственно отрезков сосны, березы и осины.

Рис. 13. Распределение ве- Рис. 14. Интенсивность окорки

личин К0 и с1 для обра- в зависимости от продолжи-

батьюаемых отрезков тельности обработки

Уравнение для определения времени (1СМ) при обработке смеси отрезков различных пород в сучкорезно-окорочной машине, когда интенсивность окорки максимальна, имеет вид

1м = Р,121с0,5.0,181с2 +0,45]ПС +

+ [0,08(16 + 6)2 - 0,Щб2 + 6)]Пб +

+ [5,551о0,5 -0,011о3]По, (56)

где Пс, Пб и П0 - доля отрезков каждой породы в общем обьеме биомассы дерева в бункере.

Установлено, что развиваемая мощность (N) находится в тесной взаимосвязи с объемом пачки (Vп) отрезков деревьев и скоростью (v) перемешивающих рабочих органов

N = - 5,1 + 18,8v + 3,8 Vn. (57)

С увеличением скорости рабочих органов с 0,4 до 1,0 м/с величина N возрастает в 2,2 раза и максимальна (30 кВт) при обьеме пачки 3 м^ и скорости 1,2 м/с . При положительной температуре затраты энергии на обработку 1 мЗ тонкомерной древесины сосны, березы, ели и осины составили соответственно 0,3, 0,9, 0,7 и 0,8 кВт.ч, а при отрицательной температуре для сосны н ели соответственно 2,2 и 6,2 кВт.ч. Средние затраты энергии на обработку 1 мЗ древесины: летом - 0,7 кВт.ч/мЗ, зимой - 4,2 кВт.ч/ мЗ.

ШЕСТОЙ РАЗДЕЛ посвящен вопросам разработки и исследованию технических решений и процессов для разделки нетрадиционного древесного сырья. Установлены специфические особенности пней как предмета труда, предложены направления развития станков для их разделки. Станок содержит раму на колесном шасси, ножевую решетчатую головку и перемещаемую гидроцилиндрами нажимную плиту.

Исследован процесс разделки пней для станков с ножевыми головками двух типов (1-е кольцевым и внутренними радиальными ножами, 2-е кольцевым, внутренним кольцевым и радиальными ножами), экспериментально определены силовые параметры, создаваемые гидроцилиндрами станков при разделке. Определено содержание балласта в пневом осмоле при разделке в станке, количество осмола, требующего доразделки после станка, и трудозатраты на доразделху. Установлено, что потери сырья при механизированной разделке пнево-корневой древесины составляют I -2 % (при взрывном способе заготовки - до 25 %).

Разработано и исследовано режуще-раскалывающее устройство с шарнирно-закрепленными на конце манипулятора приводными двузубой челюстью и ножом. Нож закреплен на челюсти с раскалывающими гранями и вертикальным клином. При исследованиях устройством разделывали пни диаметром до 60 см, раскалывали бревна диаметром до 70 см, перерезали - до 40 см.

СЕДЬМОЙ РАЗДЕЛ посвящен разработке и исследованиям технических решений и процессов для погрузочно-транспортных работ при подготовке биомассы дерева к переработке на щепу.

Моделирование и экспериментальные исследования выполнены для переместигельных операций с использованием форвардеров ЛТ-189М и тракторов ТБ-1 с захватно-режущими устройствами. На основе

функционально-технологического анализа сформулированы задачи совершенствования форвардеров типа ЛТ-189М, на уровне изобретений с испытанием экспериментальных образцов разработаны технические рещения на конструкции форвардеров по а.с. N 121770!, 1283131, 1652131.

Обоснованы и разработаны принципиально новые конструкции захватно-режущих устройств для трелевки деревьев за вершину тракторами ТБ-1. Согласно исследованиям, зависимость сменной производительности трактора при среднем объеме хлыста 0,19...0,20 м* от расстояния трелевки (Ьх) аппроксимируется уравнениями:

при трелевке за комли

ПСмк = Ю0/(1,45 + 4,45хЮ-ЗЬт), (58)

при трелевке за вершины

ПСмв = 1 • ,36 + ЗЗЗх 10-ЗЬг). (59)

При исследованиях установлено, что автономный привод ножей захватно-режущих устройств (а.с. N 1493581) снижает время наводки, захвата и обрезки вершины на одно дерево с 15,2 до 14,5 с (на 4,6 %), а при выполнении ЗРУ поворотным время сбора пачки деревьев снижается на 133 %.

Рис.15. Зависимость сменной производительности и годового экономического эффекта от расстояния трелевки

На основе результатов исследований получены зависимости сменной производительности (ПСмв» м ) и годового экономического эффекта (Эг) на трелевочный трактор ТБ-1М с перспективным захватно-режущим устойством от расстояния трелевки (Ьу):

Установлены показатели работы форвардера ЛТ-189М при подготовке тонкомерного древесного сырья к переработке на рубках промежуточного пользования при различных технологических процессах: а). при сборе отрезков деревьев, раскряжеванных бензиномоторными пилами; б) при заготовке тонкомерного древесного сырья форвардером с захватно-режущим устройством, обеспечивающим раскряжевку тонкомерных деревьев на отрезки с последующей погрузкой на платформу форвардера.

В ВОСЬМОМ РАЗДЕЛЕ приведены данные об использовании результатов исследований предприятиями и организациями отрасли и их эффективности. Результаты диссертационных исследований использованы при создании новых технологических процессов, машин и оборудования (Майкопским машзаводом изготовлено более 200 машин АКП-1 и ЛП-52) для механизированной заготовки пневого осмола, которые в 1977-1984 гг. внедрили предприятия Кареялеспрома, Арххимлеса, Иркутскхимлеса. Позднее было внедрено 35 устройств Р-402. При участии автора разработаны: типовые технологические карты, руководства по внедрению технологии и машин на предприятиях Кареялеспрома и Минлеспрома СССР, пособие по рациональным приемам труда на агрегатах АКП-1.

Обоснованные конструкции технологического оборудования к тракторам Онежского тракторного завода: корчеватель КПК-1 (свидетельство России N 1395 на полезную модель) и режуще-раскалывающее устройство (решение ВНИИГПЭ от 26.04.95 г. о выдаче патента и а.с. СССР N 1477328, 1625436) изготовлены, испытаны в производственных условиях и подготовлены КарНИИЛПом к серийному производству. Технология подготовки к переработке отходов лесозаготовок с применением машин ЛП-23 была внедрена в Кареллеспроме.

Освоена технология трелевки деревьев за вершины с использованием захватно-режущих устройств к трактору ТБ-1 (один вариант устройства внедрен, два - приняты ОТЗ в качестве перспективных (а.с. СССР N 1355586, 1237605, 1298174). Экономический эффект от внедрения этой технологии в Карелии в ценах 1996 г. составляет - 325,6 млн. руб./год. Ожидаемый эффект от внедрения перспективного устройства 634,7 млн. руб./год.

ПСмв = 1000/(9,52 + 3,33x10-21^),

Эг = ехр(4,72)Ьг-1.05

(61)

(60)

Режуще-раскалывающее устройство ДО-77 (конструкция защищена решением ВНИИГПЭ от 26.04.95 г. о выдаче патента и а.с. N 1477328, 1625436) демонстрировалось на выставке "Лесдревмаш-94", захватно-режущее устройство к форвардеру ЛТ-189М - на выставке "Лесдревмаш-96". Ковшеобразные интенсификаторы (а.с. N 880729) использованы Медвежьегорским КЭЗом при модернизации барабана КБ-6 и КарНИИЛПом при создании установки Р-441 (а.с. N 1178591, 1373572, 1782740). Перспективные процессы подготовки тонкомерных деревьев к переработке на щепу на рубках ухода отрабатываются при участии автора в условиях Карелин.

Эффективность технологических процессов установлена для вариантов ТППД-ТД1 с выработкой щепы на лесосеке и ТППД-ТД2 с вывозкой отрезков деревьев с сучьями на ЦБК в сравнении с процессами ТППД-ТДЗ подготовки древесины в цехах УПЩ и ТППД-ТД4 с транспортировкой и переработкой на ЦБК балансов.

Получены зависимости затрат (3^ на заготовку, переработку и перевозу в расчете на 1 мЗ щепы, поступающей (вырабатываемой) на ЦБК, от расстояния вывозки (Ь) и коэффициента полнодревесности (Кп) отрезков деревьев:

рубки главного пользования:

ТППД-ТД1 3;= 83700 - 1,1675х10$Кп + 192Ь , (62)

ТППД-ТД2 35 = 118211 - 3,7275х 10%п + 249Ц (63)

ТППД-ТДЗ 3; = 101770 - 1,3875х105кп + 192Ц (64)

ТППД-ТД4 3^= 78800 + 144Ь, (65)

проходные рубки:

ТППД-ТД1 3; = 115680 - 2,115х105кп + 192Ц (66)

ТППД-ТД2 3, = 149981 - 4,675x105КП + 249Ь, (67)

ТППД-ТДЗ 3; = I 33540 - 2,335 х 105кп + 192Ц (68)

ТППД-ТД4 Зj = 90200+144Ц (69)

рубки прореживания:

ТППД-ТД 1 3; = 125350 - 2,3275x1 о5кп + 192Ь, (70)

ТППД-ТД2 3; = 159651 - 4,8875х105кп + 249Ц (71)

ТППД-ТДЗ 3] = 143210 - 2,5475x1 о5кп + 192Ц (72)

ТППД-ТД4 3] = 98100+ 144Ь. (73)

Анализ показал перспективность вариантов ТППД-ТД 1 и ТППД-ТД2. При сменной выработке сучкорезно-окорочной и рубильной машин на лесосеке 40 м* щепы предпочтительнее вариант ТППД-ТД2. Эффективность варианта ТППД-ТД 1 может быть обеспечена при

создании сучкорезно-окорочной и рубильной машин с выработкой 5060 мЗ щепы в смену.

Задача обоснования оптимального процесса подготовки тонкомерной древесины к переработке без учета распределения обьемов заготовок по видам рубок может быть сформулирована как некоторое обобщение классической задачи линейного раскроя. В отличие от классической задачи раскраиваемый обьект не является однородным, а представляет собой множество вариантов ТППД (комплектов машин) по видам рубок (пивного пользования, проходные, прореживания), характеризующиеся существенными различиями по величинам 3j и капитальным затратам.

Полагая, что N - множество комплектов машин по подготовке к переработке, вывозке и выработке щепы, nj - годовая выработка комплекта машин, nj - число машин j-ro типа, используемых в технологическом процессе, Vc - суммарный годовой обьем рубок на мастерском участке и то, что планируемый обьем рубок вида ieM ограничивается обьемом Vi биомассы от этого вида рубок в сырьевой базе Vc, nj необходимым условием решения будет выполнение неравенства

.fj/j > Vc, (74)

получим оптимизационную задачу

2 £ 3« • Vü -> min (целевая функция задачи - минимизация затрат)

nj - неотрицательное целое для каждого ieM (ограничение по видам рубок)

(условие выполнения плана)

(75)

nj - неотрицательное целое для каждого jeN (ограничение по производительности)

(условие неотрицательности)

Сформулированную задачу смешанного целочисленно-линейного программирования следует интерпретировать как раскрой неоднородного обьекта (общего обьема различных видов рубок) по

i j

ZVjj <Vj j

Z E Vjj > Vc « i

SV^nj.n/

Vij>0.

комплектам машин. Так как обьемы различных видов рубок должны покрывать планируемые обьемы лесозаготовок, то задачу раскроя необходимо решать и задачу распределения обьемов различных видов рубок между единицами специализированной техники.

Идея метода решения этой математической задачи связана с итеративным подходом, где решение упрощенной задачи распределения лесосырьевон базы между комплектами машин (Р) чередуется с решением задачи распределения различных видов рубок леса между типами машин (Т). Решение первой из этих задач позволяет определить оптимальный комплект оборудования (п]), второй - обьемы рубок У». Первая из перечисленных задач Р - задача, подобная задаче линейного раскроя, вторая Т - транспортной задаче.

На основе исследований разработаны новые технологические и технические решения для основных операций подготовки биомассы дерева к переработке на щепу ( более 100 на уровне изобретений).

Обоснованные параметры, технологические и технические решения, установленные режимы и зависимости использованы КарНИИЛПом, ВПКИлесмашем, АО "Ремонтно-механическнй завод", АО "Онежский тракторный завод", АО "Петрозаводскмаш" при совершенствовании и создании новых машин и оборудования: АКП-1, ЛП-52, КПК-1, Р-402, ДО-77, ЛТ-189, ЛТ-189М, захватно-режущих устройств к тракторам ТБ-1 и форвардерам ЛТ-189, очистных барабанов, передвижных сучкорезно-окорочных машин.

На основании результатов исследований сформулированы следующие основные ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ:

1. Результаты выполненных исследований показали, что технологические и технические решения процессов подготовки биомассы дерева к переработке на щепу должны быть направлены на вовлечение в переработку тонкомерного древесного сырья, пнево-корневой древесины и отходов лесозаготовок.

2. Исследованиями установлено, что ресурсы пнево-корневой древесины, тонкомерного древесного сырья и отходов лесозаготовок дня производства технологической щепы к 2000 г. в Карелии составят 49 % от обьема заготовки. Из этих ресурсов 68 % может быть использовано в целлюлозно-бумажном и 32 % в древесноплитном и гидролизном производствах.

3. Установлено, чгго съем с 1 га отходов лесозаготовок может составить 8,6 мЗ, пнево-корневой древесины - 15,1 мЗ, их ресурсы составят 21 % от обьема заготовки по главному пользованию (из них 60 % можно использовать в целлюлозно-бумажной промышленности).

4. Установленные ресурсы и эксплуатационные показатели пнево-корневой древесины, тонкомерного древесного сырья и отходов лесозаготовок рекомендуются для обоснования машин, оборудования и процессов подготовки биомассы дерева к переработке на щепу.

5. Установлены математические взаимосвязи затрат на заготовку и поставку потребителю биомассы пнево-корневой древесины с расстоянием вывозки, которые свидетельствуют о целесообразности разделки этой древесины на верхних лесоскладах.

6. Для заготовки пневого осмола на облесившихся вырубках рекомендуются машины типа АКП-1, ЛТ-189М и режуще-раскалывающие устройства Р-402 с обоснованными параметрами, работающие по пред ложенной в работе технологии.

7. Выявлено, что свежая пнево-корневая древесина является перспективным видом сырья доя целлюлозно-бумажного производства. Для ее заготовки рекомендуется комплект технологического оборудования: навесной хорчеватель КПК-1, режуще-раскалывающее устройство Р-402 и очистная установка барабанного типа.

8. Для трелевки деревьев за вершину и сбора отходов лесозаготовок рекомендуются обоснованные конструкции захватно-режущих устройств к машинам ТБ-1 и форвардерам ЛТ-189М (а.с. N 1355586 1237605), для разделки бревен и хлыстов - разработанное режуще-раскалывающее устройство ДО-77 (а.с. N 1477328 1625436), для окорки древесного сырья - технические решения на новое окорочное оборудование (а.с. N 1178591, 1373572,1782740).

9. Заготовку сортиментов на рубках ухода целесообразно осуществлять разработанным КарНИИЛПом комплектом машин ЛТ-189М, ЛО-123 и ЯП-62.

10. Целесообразно освоение перспективных процессов подготовки тонкомерного древесного сырья к переработке на щепу: а) выработки на лесосеке щепы с использованием передвижных сучкорезно-окорочных и рубильных машин; б) заготовки и вывозки отрезков деревьев иа ЦБК, где их очищают от сучьев и коры и перерабатывают на щепу.

11. Для оценки технологических процессов подготовки биомассы тонкомерного древесного сырья к переработке на щепу на рубках главного пользования, проходных рубках и прореживаниях рекомендуются установленные математические зависимости суммарных затрат на 1 мЗ щепы от производственных условий лесозаготовительных предприятий (62)-(73).

12. При перспективных технологических процессах подготовки тонкомерного древесного сырья к переработке на рубках ухода рекомендуется использовать сучкорезно-окорочные машины и транспортные машины с захватно-режущими устройствами (а.с. СССР N 1355586, 1237605, 1298174).

13. Для анализа и синтеза технологических и технических решений рекомендуется использовать функционально-технологический анализ, позволивший разработать новые процессы, машины и оборудование для основных операций подготовки древесного сырья к переработке на щепу (более 100 на уровне изобретений).

14. Определена перспективность освоения в Карелии технологических процессов: подготовки к переработке на щепу пневого осмола, механизированной корчевки, разделки и очистки свежей пнево-корневой древесины; трелевки деревьев за вершину бесчокерными тракторами; разделки древесины режуще-раскалывающими устройствами. Обоснованные процессы подготовки тонкомерного сырья к переработке на рубках ухода с применением захватно-режущих устройств и сучкорезно-окорочных машин отрабатываются в условиях Карелии.

15. Рекомендации по эффективным технологическим процессам, установленные ресурсы и эксплуатационные показатели нетрадиционных видов сырья использованы Кареллеспромом, директивными органами Республики Карелия, КарНИИЛПом при прогнозных работах, планировании и организации НИОКР, организации создания и освоения новой техники в 1994-1997 гг.

16. Обоснованные параметры, технологические и технические решения, установленные режимы и зависимости использованы КарНИИЛПом, ВПКИлесмашем, АО "Ремонтно-механический завод", АО "Онежский тракторный завод", АО "Петрозаводскмаш" при формировании и выполнении планов НИОКР, совершенствовании и создании новых машин и оборудования: АКП-1, ЛП-52, КПК-1, Р-402, ДО-77, Л0-60, ЛТ-189, ЛТ-189М,, захватно-режущих устройств к тракторам ТБ-1 и форвардерам ЛТ-189М, очистных барабанов, передвижных сучкорезно-окорочных машин.

17. Дальнейшие работы по проблеме предполагается проводить в направлении комплексного внедрения в производство прогрессивных технологических процессов, машин и оборудования, основанных на разработанных технологических и технических решениях и повышающих эффективность подготовки биомассы дерева к переработке на щепу.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Шегельман И.Р. Создание и внедрение технических решений в лесной промышленности. - Петрозаводск: Карелия, 1988. - 56 с.

2. шегельман И.Р. Технические и экономические проблемы освоения нетрадиционных видов древесного сырья II Forests, environment and new technology in Northern Europe: Лес, окружающая среда и новые технологии в Северной Европе:^, Доклады междун. конференции (Петрозаводск, 1993): Университет Йоэнсуу. Факультет лесных наук. Известия, N17,1994. - С. 311 -312.

3. Шегельман И.Р. Приемочные испытания системы машин для механизированной заготовки пневого осмола // Научно-техническая конференция: Тез. докл., Петрозаводск, 1971. - С. 60-61.

4. Васюков В.А., Шегельман И.Р. Машины для заготовки пневой древесины (Обзор) / ВНИПИЭИлеспром. - М., 1972. - 49 с. - (Лесохимия и подсочка).

5. Шегельман И.Р., Демин К.К. Механизированная разделка спелого осмола //Лесохимия и подсочка, 1973, N 10, с. 10-11.

6. Шегельман И.Р., Демин КА., Степаненко МА. Эксплуатационные показатели спелого пневого осмола в сосняках-брусничниках//Лесохимия и подсочка, 1974, N8, с. 12-13.

7. Шегельман И.Р. Эксплуатационные показатели пневого осмола в сосняках-черничниках // Лесохимия и подсочка, 1975, N 5, с. 8-9.

8. Шегельман И.Р., Крапивко Н.В. Устройство для очистки осмола. A.c. CCCPN 478721. Б.И., 1975, N28.

9. Исследование очистки выкорчеванных пней от грунта с использованием вибрации/ Васюков ВА., Беляев КА., Шегельман И.Р. и др. // Современные проблемы повышения эффективности заготовок лесохимического сырья: Труды ЦНИИМЭ. - Химки, 1976. - С. 60-66.

10. Шегельман И.Р. Обьемный выход древесины свежих сосновых пней//Лесохимия и подсочка, 1976, N6, с. 10.

11. Шегельман И.Р. Станок для разделки пней. A.c. СССР N 518333. Б.И., 1976, N23,

12. Шегельман И.Р. Теоретические исследования сопротивления пней корчеванию II Машинная валка и трелевка леса: Труды ЦНИИМЭ. - Химки, 1977. - С. 71-75.

13. Демин КА., Шегельман И.Р. Механизация заготовки пневого осмола / ВНИПИЭИлеспром. - М., 1977. - 52 с. - (Лесохимия и подсочка).

14. Шегельман И.Р. Организация учета и приемки пневого осмола при механизированной заготовке//Лесохимия и подсочка, 1978, N5, с. 4.

15. Шегельман И.Р. Караулов О.Т., Русаков Д.М. Рациональное использование подборщика-погрузчика ЛП-23 на заготовке некондиционной древесины If Лесоэксплуатация и лесосплав, 1979, вып. 24, с. 6-7.

16. Шегельман И.Р. Станок для разделки пней. A.c. СССР N 682370. Опубл. вБ.И., 1979, N32.

17. Демин К.А., Шегельман И.Р. Механизированная заготовка пневого осмола с сохранением подроста //Лесное хозяйство, 1980, N 15, с. 9-10.

18. Шегельман И.Р. Корчевание свежих сосновых пней // Лесоэксплуатация и лесосплав, 1980.N 16, с. 14.

19. шегельман И.Р., Лазарев B.C., Цыпук А.М. Барабан для очистки пневого осмола. A.c. СССР N 880729. Б.И., 1981, N 42.

20. Шегельман И.Р. Аппаратура для определения параметров процесса корчевания пней // Лесоэксплуатация и лесосплав, 1982, N2, с. 14-15.

21. Шегельман И.Р. Устройство для очистки пневого осмола. A.c. СССР N 912498. Б.И., 1982, N 10.

22. Демин К.А., Шегельман И.Р., Карасев В.П. Техника и технология механизированной заготовки пневого осмола. - М.:

Лесная промышленность, 1983. - 120 с.

23. Шегельман И.Р. Выбор направлений совершенствования объектов лесного машиностроения // Проблемы развития лесной промышленности и лесного хозяйства Карелии: Тез. докл. респ. науч-техн. конф. - Петрозаводск: Петрозаводский гос. ун-т, 1983, ч. 2. - С. 91-93.

24. Шегельман И.Р. Основные направления механизации осмодозаготовок // Проблемы развития лесной промышленности и лесного хозяйства Карелии: Тез. докл. респ. науч-техн. конф. -Петрозаводск: Петрозаводский гос. ун-т, 1983, ч. 2. - С. 54-55.

25. Шегельман И.Р. Поиск рациональных технических решений с использованием "дерева целей"// Машинизация лесоскладских работ: Сб. науч. тр. / - Химки: ЦНИИМЭ, 1984. - С. 26-30.

26. Шегельман И.Р., Калкасов ВА. Коник лесозаготовительной машины. A.c. СССР N 1104038. Б.И., 1984, N 27.

27. Шегельман И.Р. Устройство для групповой очистки древесины. A.c. СССР N 1104019. Б.И., 1984, N27.

28. Шегельман И.Р. Устройство для групповой очистки древесины. A.c. СССР N 1104019. Б .И., 1984, N 27.

29. Гильц Н.Р., Демин К.К., Шегельман И.Р. Пути машинизации несплошных рубок леса/Шесная промышленность, 1985, N 6, с. 16-17.

30. шегельман И.Р. Методические вопросы синтеза патентоспособных решений // Повышение эффективности лесного комплекса Карельской АССР: Тез. докл. респ. науч-практ. конф. Петрозаводск: Петрозаводский ун-т, 1985.-С. 33-34.

31. Шегельман И.Р. Опыт прогнозирования средств механизации осмолозаготовок И Повышение эффективности лесного комплекса Карельской АССР: Тез. докл. респ. науч-практ. конф. - Петрозаводск: Петрозаводский гос. ун-т, 1985. - С. 96-97.

32. Шегельман И.Р. Совершенствование лесозаготовительной техники на основе патентоспособных технических решений II Машины и орудия для механизации лесозаготовок и лесного хозяйства: Межвуз. сб. науч. ттгдов / ЛТА. - Л., 1986.-С. 109-112.

33. Паничев Г.П., Шегельман И.Р., Хейн B.C. Бункерные окорочные машины// - Лесная промышленность, 1986, N 9, с. 31.

34. Лесозаготовительная машина / Дмитриев А.Ф., Тарасевич В.Э., ШегельманИ.Р. идр. A.c.CCCPN 1217701.Б.И., 1986,N 10.

35. Шегельман И.Р., Паничев Г.П., Хейн B.C. Способ групповой обработай древесины и устройство для его осуществления. A.c. СССР N 1243942. Б.И., 1986, N26.

36. Шегельман И.Р. Устройство для групповой обработки древесины. A.c. СССР N 1318401. Б.И., 1987, N 23

37. Цыпук А.М., Шегельман И.Р., Июдин АЛ. Анализ процесса групповой очистки пневого осмола II Лесосечные работы и транспорт леса: Межвузовский сб. науч. трудов. - Л.: ЛТА, 1987.-С. 103-105.

38. Шегельман И.Р., Скрыпник В.И. Способ разработки лесосеки. A.c. CCCPN 1289424. Б.И., 1987, N 6.

39. Шегельман И.Р. Машины и механизмы для заготовки пневой древесины. - М.: ВНИПИЭИлеспром, 1987. - 44 с.

40. Шегельман И.Р., Паничев Г.П., ХеЙн B.C. Устройство для ¡типовой обработки древесины. A.c. СССР N 1299789. Б.И., 1987,

41. Шегельман И.Р., Хювенен К.Н., Голубев ГА. Разработка, совершенствование средств машинизации осмолозаготовок II Пути решения региональных проблем охраны окружающей среды и рационального использования лесных ресурсов в Карельской АССР: Тез. докл. респ. научно-техн. конф. - Петрозаводск: Петрозаводский ун-т, 1987.-С. 44-45.

42. Шегельман И.Р., Паничев Г.П. Новые установки для групповой обработки древесины: Экспресс-информ. Зарубежный опыт/ВНИПИЭИлеспром. - М., 1987. - С. 2-20. - (Лесоэксплуатация и лесосплав; Вып. 8).

43. Шегельман И.Р., Паничев Г.П. Усовершенствован окорочный узел// Лесная промышленность, 1987.N 2, с. 16.

44. Демин КА., Шегельман И.Р., Карасев В.П. Техника и технология механизированной заготовки пневого осмола. - М.: Лесная промышленность, 1988. -136 с.

45. Шегельман И.Р., Голубев ГА., Хювенен К.Н. Новое на заготовке осмола II Лесная промышленность, 1988, N 11, с. 22-23.

46. Барабан для очистки пневого осмола / Шегельман И.Р., Соловьев B.C., ЦыпукА.М. и др. A.c. СССР N 1373572. Б.И., 1988, N6.

47. Шегельман И.Р., Хювенен К.Н., Голубев ГА. Функционально-технологический анализ средств машинизации осмолозаготовок II Научно-технический прогресс на предприятиях лесного комплекса Карелии: Тез. докл. респ. науч-практ. конф. - Петрозаводск: Петрозаводский ун-т, 1988. - С. 27-29.

48. Шегельман И.Р., Дмитриев А.Ф., Провоторов Ю.И. Функционально-технологический анализ сортиментовоза для рубок ухода / ЦНИИМЭ. - Химки, 1988. - 12 с. - Рук. деп. во ВНИПИЭИлеспроме 29.01.88, N 2139 -лб.

49. Шегельман И.Р. Устройство для групповой обработки древесины. A.c. СССР N ¡423385. Б.И., 1988, N34.

50. Шегельман И.Р., Дмитриев А.Ф., Провоторов Ю.И. Анализ компоновочных схем сортиментовоза для рубок ухода / ЦНИИМЭ. -Химки, 1988. - 12 с. - Рук. деп. во ВНИПИЭИлеспроме 29.01.88, N 2138 - лб.

51. Шегельман И.Р. Технология подготовки тонкомерного древесного сырья для производства щепы целлюлозно-бумажного назначения II Научно-технический прогресс на предприятиях лесного комплекса Карелии: Тез. докл. респ. науч-практ. конф. - Петрозаводск: Петрозаводский ун-т, 1988. - С. 12-13.

52. Шегельман И .Р., Супимин B.C. Пути повышения эффективности освоения ресурсов тонкомерного древесного сырья // Проблемы и перспективы развития народнохозяйственного комплекса Карелии: Тез. докл. Всесоюз. науч.-практ. конф. - Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1989. - С. 229-231.

53. Устройство для разделки пней / Шегельман И.Р., Голубев ГА., Попов С.И. и рр. A.c. СССР N 1475788. Б.И., 1989, N 17.

54. Шегельман И.Р., Вассеяь Я.М., Лапатан А.Ю. Очистка тонкомерного древесного сырья от сучьев в окорочных барабанах // Лесоэксплуатация и лесосплав, 1989,N 3, с. 12-13.

55. Шегельман И.Р., Лапатан А.Ю., Вассеяь Я.М. Групповая очистка тонкомерной древесины от сучьев, ветвей и коры II Переработка и энергоиспользование низкокачественной древесины: Сб. науч. трудов. - Химки: ЦНИИМЭ, 1989. - С. 101 -105.

56. шегельман И.Р. Установка для групповой обработки деревьев. A.c. CCCPN 1491711. Б.И., 1989, N 25.

57. Шегельман И.Р., Хювенен К.Н., Голубев ГА. Проблемы освоения ресурсов пневой древесины в Карельской АССР // Проблемы и перспективы развития народнохозяйственного комплекса Карелии. Тез. докл. Всесоюз. науч.-практ. конф. - Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1989. - С. 231-232.

58. Шегельман И.Р., Хювенен К.Н., Голубев ГА. Оценка технологических вариантов очистки и разделки пневого осмола // Лесохимия и подсочка, 1989, N 3, с. 11.

59. Шегельман И.Р., Голубев ГА;, Хювенен К.Н. Модернизация устройства для разделки пней II Лесная и деревообрабатывающая промышленность, 1990,вып. 11, с. 3-4.

60. Шегельман И.Р., Лапатин А.Ю., Попов С.И. Экспериментальные исследования групповой обработки древесного сырья в барабанных и бункерных установках // Научно-технический npoipecc в комплексных лесных предприятиях: Тез. докл. респ. науч.-техн. конф. - Петрозаводск : КарНИИЛП, 1990. - С. 27-29.

61. Шегельман И.Р., Лапатин А.Ю., Вассель Я.М. Оценка тонкомерного древесного сырья при проходных рубках с использованием коэффициента псшнодревесности II Лесная и деревообрабатывающая промышленность, 1990, N 4, с. 4.

62. Шегельман И.Р., Супимин B.C. Технико-экономическое обоснование перспективных процессов заготовки тонкомерного древесного сырья при различных видах рубок II Научно-технический прогресс в комплексных лесных предприятиях: Тез. докл. респ. науч.-прак. конф. КарНИИЛП. - Петрозаводск, 1990. - С. 26-27.

63. шегельман И.Р., Хювенен К.Н., Голубев ГА. Обоснование параметров техники для подготовки пнево-корневой древесины к переработке на щепу II Научно-технический прогресс в комплексных лесных предприятиях: Тез. докл. респ. науч.-техн. конф. - Петрозаводск: КарНИИЛП, 1990. С. 45-46.

64. Шегельман И.Р., Лапагин АЛО., Попов С.И. Очистка тонкомерного древесного сырья от сучьев и коры на лесосеке // Лесная и деревообрабатывающая промышленность, 1990, вып. 7, с. 6-7.

65. Дмитриев А.Ф., Шегельман И.Р. Транспортное средство для перевозки длинномерных грузов. A.c. СССР N 1652131. Б.И., 1991, N20.

66. Лапатин А.Ю., Шегельман И.Р. Определение мощности бункерной сучкорезно-окорочной установки II Лесоэксплуатация и лесосплав, 1992, вып. 8-9, с. 19.

67. Шегельман И.Р. Стенд для испытаний окорочных установок. A.c. СССР N 1740158. Б.И., 1992, N22.

68. Шегельман И.Р. Древесина пней - перспективное сырье для промышленной переработки// Гидролизная и лесохимическая промышленность, 1993, N 2, с. 20-21.

69. Шегельман И.Р. Перспективные технические решения проблемы освоения нетрадиционного древесного сырья II Разработка техники и оборудования дня освоения нетрадиционных ресурсов древесного сырья: Сб. науч. трудов. - Петрозаводск: КарНИИЛП, 1993. - С. 3-20.

70. Шегельман И.Р., Лапатин А.Ю. Моделирование процесса функционирования окорочной установки бункерного типа II Разработка техники и оборудования для освоения нетрадиционных ресурсов древесного сырья: Сб. науч. трудов. - Петрозаводск: КарНИИЛП, 1993. - С. 28-38.

71. Шегельман И.Р., Хювенен К.Н., Голубев ГА. Способ корчевания пней. Патент России N 2011337. Б.И.,1994, N 8.

72. Шегельман И.Р. Методические принципы анализа и синтеза объектов лесной техники // Механизация лесной промышленности и лесного хозяйства Карелии: Тез. докл. респ. науч.- практ. конф. -Петрозаводск, 1995.

73. Хювенен К.Н., Шегельман И.Р., Голубев ГА. Способ разделки древесины. Положительное решение ВНИИГПЭ от 31.10.95 выдаче патента России по заявке N 94018125.

74. Шегельман И.Р., Лапатин А.Ю. Теоретические и экспериментальные исследования параметров охорочных установок бункерного типа II Проблемы механизация лесной промышленности и лесного хозяйства Карелии: Тез. докл. респ. науч.- практ. конф. -Петрозаводск, 1995.-С.39-40.

75. Шегельман И.Р. Исследование технологических решений и процессов для групповой очистки биомассы дерева от сучьев, коры и минеральных примесей /I Проблемы развития лесного комплекса Карелии; Тез. докл. респ. науч. - практ. конф. - Петрозаводск, 1996. С.64-65.

76. Шегельман И.Р., Сулимин B.C., Лапатин А.Ю.. Исследование процессов подготовки тонкомерной древесины к переработке на щепу

II Проблемы развития лесного комплекса Северо-Западного региона: Международная науч. - техн. конференция, Петрозаводск, 1996. -С. 64-65.

77. Шегельман И.Р. Методические принципы анализа и синтеза обьектов лесозаготовительной техники// Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ. Вып. 1.- Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 1996. - С. 110-114.

78. Шегельман И.Р. Моделирование процесса вибрационной очистки пней от грунта II Проблемы освоения нетрадиционных видов сырья: Сб. науч. трудов. Петрозаводск: КарНИИЛП, 1997. - С. 26-27.

79. Шегельман И.Р., Лапатин А.Ю. Оптимизация процесса окорки древесины в сучкорезно-окорочной машине II Повышение эффективности подготовки биомассы дерева к переработке на щепу: Сб. науч. трудов. - Петрозаводск: КарНИИЛП, 1997. - С. 24-26.

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д.063.50.01 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 194018, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, Лесотехническая академия, Ученый совет.

Подписано в печать с оригинал-макета 01 .07 .97. Формат 60*90 1/16. Бумага офсетная. Печ. л. 2,25. Усл.-печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ N 20. С 7а.

Издательско-политрафический отдел Санкт-Петербургской ЛТА

194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5