автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование выбора систем машин для рубок ухода

т од

о ^ • На правах рукописи

СЮНЁВ Владимир Сергеевич

Обоснование выбора систем машин для рубок ухода

05.21.01 - Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Воронеж - 2000

Работа выполнена в Петрозаводском государственном университете

Научный консультант - доктор технических наук,

профессор Герасимов Ю. Ю.

Официальные оппоненты -

Доктор технических наук, профессор - Бартенев И. М.

Доктор технических наук, профессор - Добрынин Ю. А.

Доктор технических наук, профессор - Питухин А. В.

Ведущая организация - Государственный Карельский НИИ лесной промышленности (КарНИИЛП)

Защита диссертации состоится 27 октября 2000 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.064.06.01 в Воронежской государственной лесотехнической академии (394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ВГЛТА)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Автореферат разослан » С>Ссспъ<х -г^/иА1

2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д. т. н., Заслуженный работник высшей школы, профессор

Курьянов В. К.

/7№. О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из главных направлений лесной политики является развитие рубок ухода. Они позволяют формировать качественные леса к возрасту главной рубки, повышая конечный выход деловой древесины, дают возможность получать древесину для промышленных нужд от промежуточного пользования, способствуют решению глобальной экологической проблемы снижения потребности проведения рубок на новых лесных площадях.

Масштабное развитие рубок ухода в стране сдерживается техническими возможностями. Решение данной проблемы предусматривает как экстенсивный, так и интенсивный пути.

Экстенсивный путь - наращивание числа машин и оборудования зачастую без дифференцированного учета условий их использования - является недостаточным шагом, приводит к замедлению темпов научно-технического прогресса, нерациональному расходованию материальных средств, отрицательному влиянию на окружающую среду.

Интенсивный путь - предполагает организацию более эффективного использования существующих машин, в том числе дорогостоящих приобретенных или планируемых к закупке по импорту, посредством обоснованного их применения с привязкой к природно-производственным условиям эксплуатации, обеспечивающих максимальную совместимость с окружающей средой, создание новых природо- и энергосберегающих конкурентоспособных отечественных машин и технологий. При данном подходе встает вопрос обоснованного выбора техники для предполагаемых условий эксплуатации с целью обеспечения ее максимальной эффективности и экологической совместимости с природной средой. До настоящего времени обоснование и выбор машин и их параметров базируются в основном на практическом опыте. При этом основная сложность при выборе подходящих машин из числа существующих на рынке, в том числе зарубежном, или обосновании параметров вновь проектируемых машин и оборудования заключается в необходимости удовлетворения целого комплекса порой противоречивых требований по производительности, металлоемкости, выполнению намеченной программы рубок, экологичности. Одновременный учет такого большого числа факторов при существующем подходе весьма затруднителен и несомненно требует применения новых информационных технологий, облегчающих принятие решений и обеспечивающих их научную объективность.

Таким образом, на современном научном уровне решение проблемы обоснования и выбора машин и оборудования для машинизации рубок ухода предполагает разработку нового концептуального подхода, неразрывно связанного с вопросами информатизации и компьютеризации лесной отрасли. Суть данного подхода заключается в создании компьютерной системы поддержки принятия решений по выбору и обоснованию машин для проведения рубок в конкретных условиях. Такая система позволяет при учете многообразия

природно-производственных факторов и альтернативном наборе машин осуществлять оптимальный подбор машин из числа существующих, при удовлетворении комплекса требований и в первую очередь по обеспечению их экологической совместимости с природной средой.

При отсутствии необходимого варианта выбора система позволяет проводить обоснование основных параметров вновь проектируемых машин и оборудования.

Создание подобной компьютерной системы поддержки принятия решений в области обоснования лесных технологий и машин соответствует требованиям программ информатизации лесного хозяйства на 1998-2001 годы, внедрения ГИС-технологий в лесном хозяйстве на 1999-2005 годы, принятых Рослесхозом, и целевой федеральной программе «Леса России» 1997-2000.

Цель работы. Повышение эффективности применения машинизированных технологий и соответствующих систем машин для рубок ухода за лесом при обеспечении экологической совместимости с природной средой на основе компьютерной поддержки принятия решений.

Задачи исследований. Исходя из актуальности проблемы и цели работы, задачи исследований формулируются следующим образом:

• на основе анализа современного состояния мирового уровня развития лесного хозяйства, лесозаготовок и лесного машиностроения установить перспективные технические средства решения проблемы машинизации рубок ухода за лесом с учетом их экологического значения и исследовать причины, характер и экологические последствия повреждаемости деревьев и лесных почв от воздействия лесной техники при рубках ухода;

• разработать новую концепцию выбора систем машин для рубок ухода, отражающую разнообразие природно-производственных условий, экологический фактор и альтернативность выбора машин, на основе современных компьютерных технологий и системного подхода, включающего модель природной среды, электронные базы данных по машинам и оборудованию, имитационную модель рубок ухода;

• разработать компьютерные базы данных по машинам и оборудованию для рассматриваемых видов рубок и установить зависимости между их основными параметрами;

• создать базы данных по природно-производственным условиям на основе использования ГИС-технологий и провести компьютерное генерирование типовых модельных лесосек;

• разработать компьютерные модели для исследования воздействия ходовых систем на лссныс почвы, отражающие специфику лесных ночи (наличие корней и камней);

• провести комплекс экспериментальных исследований по воздействию машин на лесную среду (почвы, оставляемый древостой), оценить адекватность разработанных компьютерных моделей;

• экспериментально обосновать возможность использования серийного колесного сельскохозяйственного трактора в качестве энергетического модуля лесных машин для рубок ухода и дать рекомендации по

совершенствованию конструкции семейства модульных машин на базе этих тракторов с целью повышения их эксплуатационных показателей и экологической совместимости с природной средой;

• разработать практические рекомендации по выбору систем машин для рубок ухода для типовых условий Республики Карелия.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований являлись древостой северных лесов Восточной Фенноскандии, технологии рубок ухода (прореживание и проходные рубки), системы машин для сортиментной заготовки леса: харвестеры (валочно-сучкорезно-раскряжевочные машины) и форвардеры (сортиментовозы).

Решение поставленных задач осуществлялось с использованием методов математической статистики, метода конечных элементов, имитационного моделирования, исследования операций, ГИС-технологий, инвентаризации пробных площадей лесных участков, натурных экспериментальных исследований, тензометрирования.

Научная новизна работы.

• Разработана новая концепция обоснования выбора машин для проведения рубок ухода, отличающаяся системным подходом, учетом многообразия природно-производственных условий эксплуатации и альтернатив выбора машин при приоритете экологического фактора, базирующаяся на новых информационных технологиях.

• Созданы компьютерные базы данных по машинам и оборудованию для сортиментной заготовки леса (харвестеры, форвардеры, манипуляторы, рабочие органы). Установлены зависимости между основными параметрами машин, позволяющие на уровне эскизного проектирования проводить обоснование основных концептуальных характеристик вновь создаваемой техники.

• Созданы базы данных природно-производственных условий и разработаны модели типовых модельных лесов Фенноскандии на основе использования ГИС-технологий.

• Разработана математическая модель взаимодействия ходовых элементов машин с лесной почвой на основе использования метода конечных элементов, отличающаяся учетом упруго-пластических свойств почвы с наличием корней и камней в почвенном массиве и позволяющая исследовать влияние числа проходов машин, наличие камней, порубочных остатков на волоке на изменение условий функционирования корневых систем деревьев.

• Разработана имитационная компьютерная модель технологического процесса рубки ухода за лесом с применением харвестера и форвардера, учитывающая в качестве одного из основных показателей оценки качества функционирования экологическую совместимость машин с природной средой (повреждаемость оставляемого древостоя и почвы).

• Проведены экспериментальные исследования экологической совместимости различных типов лесных машин с природной средой, включающие сравнительную оценку воздействия машин на оставляемый на доращивание

древостой и почву по комплексу её важнейших характеристик (плотность, твердость, пористость, глубина колеи).

• Экспериментально обоснована возможность использования сельскохозяйственного трактора МТЗ в качестве энергетического модуля семейства лесных колесных машин для рубок ухода.

Значимость для теории и практики. Разработана концепция обоснования и выбора машин для проведения рубок ухода. Совокупность предложенных компьютерных моделей и поддерживающих их функционирование информационных баз данных составляют основу системы принятия решений по обоснованию машин и оборудования для машинизации рубок ухода за лесом с учетом экологического фактора. Предложенные модели значительно обогащают теорию экологической совместимости машин с лесной средой за счет использования новейших компьютерных технологий, в том числе ГИС, метода конечных элементов и других.

Разработанная система принятия решений внедрена на предприятиях АХК «Кареллеспром» и в Государственном комитете по лесу Республики Карелия.

Созданные компьютерные базы данных по лесозаготовительной технике имеют большое самостоятельное справочно-информационное значение и использованы в ряде организаций и предприятий отрасли (Государственный научный центр ЛПК при Минэкономики Российской Федерации, ОАО «Онежский тракторный завод»).

Результаты работы использованы при создании КарНИИЛПом системы колесных машин (харвестер и форвардер) для рубок промежуточного пользования. Экспериментальные образцы машин изготовлены и испытаны в производственных условиях. Опытные образцы машин были выпущены на Радомышльском машиностроительном и Петрозаводском ремонтно-механическом заводах. С 1995 года начато серийное производство форвардеров ЛТ-189М на заводе АО «Дормаш» (г. Орел).

Основные положения, выносимые на защиту:

• концепция решения проблемы обоснования и выбора параметров систем машин для проведения рубок ухода на основе системного подхода, приоритетного учета экологического фактора проведения рубок ухода, использования современных информационных технологий;

• возможность исследования процессов взаимодействия ходовых систем М.11ШШ с лесной почкой с иешми.зешаинем копечпо-'ишмептнмх моделей;

• возможность исследования технологических процессов машинизированной заготовки леса на рубках ухода с использованием имитационных моделей при приоритете экологического фактора (минимизация повреждаемости древостоя, корневых систем и почвы);

• компьютерные базы данных машин и технологического оборудования для машинизации рубок ухода и полученные зависимости между их основными параметрами;

• возможность моделирования природно-производственных условий на основе использования ГИС-технологий;

• методики и результаты экспериментальных исследований по оценке воздействия лесных машин на природную среду (древостой и лесную почву);

• результаты экспериментального обоснования возможности использования трактора МТЗ-80 в качестве энергетического модуля лесных машин для рубок ухода и рекомендации по совершенствованию конструкций семейства таких машин;

• рекомендации по применению систем машин на рубках ухода в Республике Карелия.

Обоснованность и достоверность результатов исследований. Достоверность результатов исследований подтверждается данными натурных экспериментов и положительным опытом внедрения разработок в практическую деятельность.

Реализация работы. Основные результаты работы внедрены в Карельском НИИ лесной промышленности при создании системы машин для рубок ухода, АХК «Кареллеспром», Государственном комитете по лесу Республики Карелия, в Государственном научном центре ЛПК при Минэкономики РФ, на ОАО «Онежский тракторный завод», в учебном процессе кафедры тяговых машин Петрозаводского государственного университета.

Результаты исследований использованы при выполнении международных проектов Taiga-Model Forest (Россия-Финляндия, 1997-2000 г.г.), Tempus Tacis T_JEP 10347-97 Development of the Environmental and Economics Studies (Россия-Финляндия-Швеция, 1997-2000 г.г.) и отечественного гранта «Разработка научных основ обоснования оптимального технологического процесса освоения лесных массивов при несплошных рубках» (№ госрегистрации 01.9.80000297, 1997) и включены в соответствующие отчеты.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены:

• на международных конференциях и семинарах: «Лес, окружающая среда и новые технологии в Северной Европе» (г. Йоэнсуу, Финляндия, -г. Петрозаводск, Россия, 1994), «Проблемы развития лесного комплекса Северо-западного региона» (г. Петрозаводск, 14-17 октября 1996), «Тайга. Возможности и ресурсы» (г. Хямеенлинна, Финляндия, 10-12 февраля 1998 г.), «Проблемы развития лесного сектора» (г. Петрозаводск, 18-19 ноября 1998), «Семинар Скандинавской Ассоциации лесной экономики» (г. Умеа, Швеция, июнь 1998), «Модельные леса в России: опыт и перспективы будущего» (г. Петрозаводск, 22-24 июня 1999), «Биологические основы изучения, освоения и охраны животного и растительного мира, почвенного покрова Восточной Фенноскандии» (международная конференция и выездная сессия отделения Общей биологии РАН: г. Петрозаводск: Институт биологии Карельского НЦ РАН, 6-10 сентября 1999), «Устойчивое лесопользование» (г. Каргополь, Архангельская обл., 20-24 сентября 1999), «Научно-технический прогресс в лесном комплексе» (г. Сыктывкар, 18-20 апреля 2000);

• на различных региональных и республиканских конференциях 1983-2000 г.г., в том числе «Региональные проблемы развития лесного комплекса»

(г. Петрозаводск, 1998), «Ресурсосберегающие технологии лесного комплекса» (г. Петрозаводск, 1998), «Научное обеспечение лесного комплекса Карелии» (г. Петрозаводск, 1999); • демонстрировались на Всероссийской выставке «Российский лес-99» в г. Вологда.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 49 печатных работах, в том числе двух монографиях. Пять работ опубликовано в зарубежных изданиях (Канада, Швеция, Финляндия). Получено два авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 397 е., в том числе 250 с. машинописного текста, 156 рисунков, 32 таблицы, приложения. Список использованных источников включает 304 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулированы цель исследований, научная новизна, положения, выносимые на защиту, дана краткая аннотация работы.

1. Состояние вопроса и задачи исследования. Рассмотрен процесс формирования экосистемы бореальных (северных) лесов и её современное состояние. Отмечено биолого-экологическое значение рубок ухода в системе лесоэксплуатации. Показана роль отечественных ученых в обосновании теоретических основ рубок ухода (Атрохин В.Г., Буш К. К., Георгиевский Н.П., Иевинь И.К., Сеннов С.Н., Хлюстов В.К. и другие) и решении вопросов их машинизации (Александров В.А., Андреев В.Н., Бартенев И. М., Герасимов Ю.Ю., Демин К.К., Добрынин Ю.А., Жуков A.B., Меньшиков В.Н., Пошарников Ф.В., Ширнин Ю. А. и другие). Проанализированы состояние и перспективы развития технологий и машин. Отмечена возрастающая роль сортиментной заготовки леса и её перспективность при машинизации рубок ухода. Приведены данные по исследованию повреждаемости древостоев и почвы от воздействия лесной техники на рубках ухода. Проанализированы характер, величина и последствия наносимых повреждений. Сформулирована проблема необходимости обоснования и выбора машин и оборудования для рубок ухода для конкретных природно-производственных условий эксплуатации с использованием в качестве одного из основных экологического фактора. С учетом сопрсмсшюго СОСТОЯНИЯ рП'ШШПМ компьютерных п информационных технологий сформулированы цели и задачи исследований по созданию системы компьютерной поддержки принятия решений. Структура исследований представлена на рис. 1.

2. Концепция выбора машин для рубок ухода. Сформулирован подход к решению поставленной проблемы на основе построения блочно-иерархической трехуровневой человеко-машинной (компьютеризированной) системы принятия решений.

М А Ш И Н Ы

И

О Б О Р

У

Д о в А Н И Е

Возможность применения в конкретных природно-производственных условиях на рубках ухода за лесом

На базе

МТЗ-80

И

Разработка или

модернизация

машин

Экспериментальная проверка возможности использования т-ра МТЗ-80

КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ

Л

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РУБОК УХОДА

Конечно-элементная модель «ДВИЖИТЕЛЬ-ПОЧВА»

БЛОК СРЕДСТВ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ: • Модельные

лесосеки, климат и рельеф,почва Базы данных по машинам и оборудованию

ГИС-технологии;

Рис. 1. Структура исследований по разработке концепции выбора машин

Нижний уровень - оперативного планирования - представляет собой систему принятия решений по оценке эффективности применяемых технологических схем и имеющихся машин в условиях конкретного хозяйства (лесхоз, лесопромышленное предприятие). По результатам такой оценки еще до начала проведения работ могут быть подобраны наиболее удачные для конкретной лесосеки схемы ее освоения и соответствующая система машин. Средний уровень - стратегического планирования - позволяет проводить оптимальный выбор машин, имеющихся на рынке лесозаготовительной техники, для конкретных условий лесной среды в масштабах задач, решаемых региональными государственными лесохозяйственными комитетами и крупными лесопромышленными объединениями. Например, при необходимости закупки дорогостоящей техники и наличии ряда альтернативных предложений от нескольких ее производителей с использованием предлагаемой системы возможно проведение предварительной научно-обоснованной экспертизы, основанной на моделировании работы рассматриваемых вариантов систем машин в предполагаемых условиях эксплуатации. Проведенное моделирование и расчет соответствующих показателей позволит сделать наиболее удачный выбор. Верхний уровень - проектный - позволяет конструктору-разработчику новой техники научно обосновывать основные параметры проектируемых машин в соответствии с будущими условиями эксплуатации, путем проигрывания их работы с возможностью варьирования этими параметрами и определения их оптимальных значений.

На всех уровнях окончательное решение принимается человеком -пользователем системы (инженером, менеджером, конструктором-проектировщиком и т.п.) с учетом его практического опыта и знаний.

Предложенная система состоит из определенного набора блоков, детальность разработки которых определяется масштабом решаемых задач:

• блоки средств информационной поддержки (компьютерные базы данных по имеющейся лесной технике и модельные лесосеки, увязанные с географическими информационными системами по лесным территориям);

• блок моделирования воздействия ходовых систем машин на лесные почвы;

• блок имитационных моделей, описывающих технологический процесс рубок ухода с расчетом частных показателей качества эффективности функционирования и результирующих полипоказателей.

В качестве частных показателей эффективности функционирования машин на рубках ухода предложено использовать:

показатель повреждаемости крон и стволовой части деревьев \\/С„„11|,; показатель повреждаемости корневых систем и почвы \Ук1|овр; показатель пространственной доступности деревьев в рубку \УД0СТ; показатели производительности харвестера ХУ*^,,,™; показатели производительности форвардера \Уф1ф0ИШ;

показатель, характеризующий выполнение намеченного плана рубок (показатель качества рубки) \УК„Ч;

показатель, характеризующий металлоемкость харвестера \Ухмет; показатель, характеризующий металлоемкость форвардера \\'фмет;

• показатель, характеризующий степень согласованности машин в системе (харвестера и форвардера) \УСИСТ.

Определяющим критерием в принятии решения является результирующий полипоказатель качества \Уц(и,у), вычисляемый по величине частных показателей. Для повышения достоверности информации результирующий полипоказатель определяется тремя различными методами: методом равномерной оптимальности - Критерий 1, методом свертывания (Гермейера) -Критерий 2 и методом справедливого компромисса - Критерий 3.

Принятие решения (для соответствующего иерархического уровня) проводится на основе анализа величин полипоказателей качества и частных показателей с использованием теории игр и статистических решений. Наилучшая альтернатива характеризуется наиболее удачным сочетанием всех показателей.

Уровень решаемых задач определяет характер связей между блоками и степень их задействованности в процессе принятия решения. На уровне оперативного планирования в лесхозе или леспромхозе в блоке информационной поддержки на основе использования ГИС данной территории создаются модельные лесосеки. Поскольку состав используемых машин ограничен и определен заранее, то электронные базы данных по машинам и оборудованию включены в работу частично. Минуя блок моделирования воздействия ходовых систем машин на лесные почвы, информация поступает в блок имитационного моделирования, описывающий технологический процесс рубок ухода. Здесь в конце моделирования рассчитываются показатели эффективности работы машин. На основе анализа величин показателей, лицом, принимающим решение, делается заключение о целесообразности применения имеющихся машин в конкретных условиях, отрабатываются технологические схемы освоения лесосек, уточняются и корректируются планы проведения лесохозяйственных работ для обеспечения наибольшей эффективности имеющейся техники.

На уровне стратегического планирования компьютеризированная система принятия решений дополнительно к предыдущим предполагает включение в работу электронных баз данных по рынку техники для машинизации рубок ухода. В результате выполнения описанной процедуры принятия решений делается заключение об оптимальном подборе машин для конкретных природно-производственных условий или даются рекомендации по распределению приобретенных машин по конкретным предприятиям с целью обеспечения максимальной эффективности их использования.

На верхнем уровне предлагается использование всех имеющихся блоков системы. В том числе, блока моделирования воздействия ходовых систем машин на лесные почвы. Его функционирование позволяет вводить в блок имитационного моделирования более точную информацию, проводить сравнение различных типов и параметров ходовых систем машин по степени отрицательного воздействия на лесную почву и вычислять показатели оценки воздействия машин на почвы. Оценка воздействия ходовых систем машин на лесные почвы производится по величинам удельного давления на почву в контакте с движителем q, напряжениям в почвенном слое сгь, глубине колеи Ь. Возможно

применение и производных от данных величин показателей.

Наличие дополнительных показателей, помимо используемых на предыдущих уровнях, способствует более объективному и точному принятию проектного решения.

3. Разработка средств информационного обеспечения компьютеризированной системы принятия решений. Система информационного обеспечения включает два независимых блока:

• компьютерную базу данных по существующим лесным машинам и оборудованию (манипуляторы, рабочие органы);

• компьютерную базу данных по модельным лесосекам.

В компьютерную базу по машинам и оборудованию вошли данные о более чем четырехстах единицах зарубежных и отечественных машин и оборудования, полученные при анкетировании более 100 предприятий изготовителей. Программный продукт, взятый за основу при создании базы данных - Microsoft Exel 5.0 для Microsoft Windows. Обработка данных позволила получить зависимости между основными характеристиками машин (массой машин и мощностью двигателей, массой и габаритными размерами, грузовым моментом и вылетом манипуляторов, величиной диаметра срезаемого дерева и массой харвестерной головки и др.), которые используются при обосновании параметров вновь проектируемой техники. Для примера на рис. 2 приведена зависимость массы колесных харвестеров от грузового момента, установленных на них манипуляторов.

Рис. 2. Зависимость массы харвестера от грузового момента манипулятора

База данных по модельным лесосекам содержит сведения о типовых природно-производственных условиях. Модельные лесосеки получены путем генерирования на компьютере характеристик древостоя и местности. Ввод исходных характеристик и вывод результатов моделирования проводится в среде пакета программ Mapinfo для Microsoft Windows.

В качестве исходных данных для построения модели лесосеки служат характеристики деревьев, почвенно-грунтовых условий, климата и рельефа,

содержащиеся в банках данных, полученных с использованием ГИС-технологий (лесоустройство, климат, топография и почвы и т. д.). На рис. 3 приведен фрагмент объемной электронной карты с разметкой выделов.

Рис. 3. Фрагмент электронной карты территории лесничества

4. Моделирование воздействия ходовых систем машин на лесные почвы. Для решения вопросов, связанных с оценкой воздействия ходовых систем машин на лесные почвы при уточненном анализе альтернативных вариантов выбора существующей техники и решении исследовательских и проектных задач верхнего уровня предложено использование метода конечных элементов (МКЭ). На основе использования ГИС-технологий рассмотрена возможность создания электронной почвенной карты местности с координатно-привязанными базами данных по характеристикам почв.

Прочностные свойства почвы описываются моделью упруго-пластической среды Друккера-Прагера в линейной интерпретации. Принято, что разрушение почвы по некоторой площадке происходит при условии

F = í-pGg/7)-d = 0, (1)

где

1 = ^ц{\ + \1К-{\-\1К){г1Й)% (2)

{,д , р - инварианты напряжений рассматриваемой модели прочности;

/} - угол наклона линейной поверхности в « ^ - /? »-плане (угол внутреннего трения);

(3 - сцепление материала.

Потенциал пластичности, т. е. функция напряжения, частная производная от которой пропорциональна приращению пластической деформации равен

¿е" = -1-- р^)' (3)

где

с1е~р'

- эквивалентное пластическое приращение деформации, Ц/ -угол дилатансии.

Определение входных параметров модели почвы осуществляется по результатам её прочностных испытаний (строится линия поверхности предельных напряжений в меридиональном плане, по которой определяются инварианты напряжений модели Друккера-Прагера). При ст, = сг2 > <т3 в случае трехосного

сжатия:

р = --( 2о-,+сг2). (4)

^ - '1 ' "г д = ст]-а1, (5)

г3 = -(<7,-ст-3)\ (6)

при К = 1 / = д. (7)

Если основные прочностные характеристики почвы (угол трения, сцепление) уже были экспериментально получены ранее для модели Мора-Кулона, предусмотрена возможность их преобразования в аналогичные параметры рассматриваемой модели Друккера-Прагера.

Рассматривая ассоциативное течение пластического потока для глинистых почв, переходные выражения имеют следующей вид, позволяющий установить связь между параметрами моделей Друккера-Прагера и Мора-Кулона:

■¡Зьтф . (8)

Р = ага%

с1=с

1 + -51П V

л/3

СО ъф , (9)

1 +

где С - коэффициент сцепления для модели Мора-Кулона, ф - угол внутреннего трения для модели Мора-Кулона. Дли МСПССОЦ1Ш1ШШОГО ишчка для пссчапм.ч ночи:

1%р=4ъ%хя. ф, (Ю)

с1 = с43созф. (11)

В предлагаемой модели почвы учтено армирующее влияние корневых систем растений и наличие камней.

Прочностные характеристики почв увязываются с почвенной картой местности.

Таким образом, почва на определенной территории предполагаемого использования машин моделируется ансамблем конечных элементов треугольной или четырехугольной формы (при рассмотрении плоской задачи) с включением отдельных объектов, имитирующих крупные корни и камни.

Пневматическое колесо моделируется в виде трех концентрических окружностей с разными упругими свойствами: протекторная часть, каркас, стальной обод. Гусеничный движитель моделируется в виде упругой многозвенной балки с жесткими катками на ней.

Использование МКЭ позволяет наиболее точно описать процесс взаимодействия движителей и почвы, определить удельное давление в контакте движителя с почвой, деформации и напряжения в любой точке любого почвенного слоя, исследовать последствия многократных проходов машин разных типов по одному следу, учитывать наличие корней и камней на распространение напряжений в лесной почве. При этом в отличие от аналитических методов форма линии контакта ходового элемента (например, эластичной пневматической шины) с почвой не оговаривается предварительно, а получается в результате моделирования в соответствии с рассматриваемыми характеристиками почвы и ходового элемента. Наглядность метода обеспечивается визуализацией исследуемых процессов на экране монитора компьютера. На рис. 4 показаны напряжения в почве при проходе колеса машины над корнями растущего дерева.

Предлагаемая конечно-элементная модель формализована в пакете прикладных программ АКБУЗ.

ANSYS 5.5.1

APR 11 2000

21:37:36

NODAL SOLUTION

STEP-1

SUB = 4

TIME=2

EPTOEQV (AVG) EffNu-0 PowerGraphics EFACET-1 AVRES=Mat DMX -.002641 SMN =.503E-09 SMX -.01966 ESH •503E-09 .002184 .004369 .006553 .008738 .010922 .013107 .015291 .017475 .01966

E3

о

ПЗ ED

О □

Ш

Рис. 4. Картина напряжений в почве при наличии корней

По результатам моделирования установлено, что увеличение ширины трака гусеницы с 440 до 550 мм позволяет на суглинках и глинистых грунтах снизить напряжения в почве на 10-12 %. Аналогично увеличение ширины пневматических шин с 600 до 800 мм приводит к снижению напряжений в почве на 7-10 %. Поддерживающий эффект гусеничной ленты при движении по мягкой почве здесь отсутствует. Применение на колесных форвардерах гусеничных цепей позволяет снизить напряжения в почве и является позитивным техническим решением.

Разница в напряжениях в почве на глубине (начиная с 15-20 см), вызванных движением гусеничных и колесных машин равной массы не значительна. С ростом массы машин при тех же параметрах движителей напряжения в почве растут практически линейно.

В результате моделирования установлено, что наличие корней деревьев «армирует» верхний слой почвы, повышая его прочностные свойства на 45-50%. В тоже время корни являются своеобразными «абсорбентами» напряжений -почва вокруг них находится при проходе машин в более напряженном состоянии. Это вызывает дополнительное её уплотнение вокруг корней, увеличение твердости, снижение пористости, что негативно отражается на развитии корней. Таким образом, любой проход машины над корнями ухудшает условия их функционирования. Проведенное моделирование наличия порубочных остатков под элементами ходовых систем с плотностью укладки 25-30 кг/м2 показало, что подобное мероприятие позволяет снизить глубину распространения напряжений в лесной почве на 55-60 %. Наличие камней в почве бореальных лесов изменяет картину распространения напряжений в ней, приводит к более интенсивному распространению напряжений в низлежащие слои, поскольку, как показали результаты моделирования, камни передают нагрузку на большую глубину. Корни растений, пронизывающие лесную почву между камнями, оказываются после прохода машин в худших условиях, чем в почве без каменей.

5. Имитационная модель технологического процесса рубок ухода. Основным звеном предлагаемой компьютеризированной системы принятия решений является имитационная модель функционирования машинного комплекса харвестер+форвардер на рубке ухода за лесом. Структура обеспечения функционирования имитационной модели показана на рис.5.

Входные элементы природного вектора v формируются в блоке информационной поддержки и представлены следующими модулями:

A. "Программа рубок" - число и степень изреживаний древостоя при рубках ухода.

B. "Горизонтальная структура" и "Вертикальная структура" - распределение деревьев по площади и их размеры.

C. "Местность" - параметры, характеризующие рельеф и почвенно-грунтовые условия.

D. "Климат" - параметры, характеризующие климатические условия эксплуатации.

Элементы вектора субъекта принятия решения и представлены модулями, описывающими размеры и технологический план освоения лесосеки, основные параметры машин и оборудования для ее освоения:

Управляемые параметры технологического процесса и системы машин (и)

Л

-Э

Схема освоения лесосеки

Параметры харвестера

Л

_ Параметры

Форвардера

Программа рубок

Процесс

гщтш

й^Ь.л

Показатели качества

Неуправляемые параметры, обусловленные природой(V)

Горизонтальная и вертикальная структура древостоя

Рельеф местности и почвенно-грунтовые УСЛОВИЯ_

/V

Климатические /еловия

а2

Ь2

Полипоказатель

Рис.5. Структурная схема имитационной модели

Е. "Схема освоения лесосеки" - размер делянки, планировка волоков и их размеры, процент выборки;

Р. "Параметры харвестера" - конструктивные параметры харвестера, включая характеристики манипулятора и харвестерной головки;

в. "Параметры форвардера" - конструктивные параметры форвардера и применяемого технологического оборудования.

Центральный модуль "Процесс" объединяет и связывает всю поступающую информацию и описывает технологический процесс рубки (последовательно: валку деревьев, обрезку сучьев и раскряжевку харвестером, трелевку сортиментов форвардером).

Показатели качества рассчитываются в следующих модулях: а1 - "Производительность харвестера"; Ы - "Металлоемкость харвестера"; а2 - "Производительность форвардера"; Ь2 - "Металлоемкость форвардера"; с -"Доступность деревьев в рубку"; с1 - "Качество рубки"; е - "Повреждаемость крон деревьев, стволов, корней и почв"; Г - "Согласованность машин в системе".

Имитационная модель реализована на алгоритмическом языке MapBasic (в среде пакетов, поддерживающих ГИС) в виде четырех взаимоувязанных программ: «Харвестер» (моделирование движения харвестера с выбором точек стоянки, учетом рельефа и грунтовых условий, оценка доступности намеченных к валке деревьев, моделирование валки деревьев, комплексная оценка наносимых повреждений с учетом сезона работ, оценка металлоемкости, расчет производительности и времени), «Технология» (моделирование процессов обрезки сучьев, раскряжевки и пакетирования с учетом сезона работы и характеристик обрабатываемых деревьев), «Форвардер» (моделирование работы форвардера), «Критерии» (расчет частных критериев эффективности и полипоказателей).

6. Экспериментальные исследования воздействия лесной техники на почву. Для сравнительной оценки степени влияния ходовых систем различных машин на изменения свойств лесной почвы и проверки адекватности предложенной конечно-элементной модели проведены натурные экспериментальные исследования.

Объектами исследований явились наиболее распространенные на Северо-Западе трелевочные машины: колесный форвардер Timberjack-1010 финского производства и отечественные трактора ТДТ-55А с серийной (440 мм) и уширенной асимметричной (550 мм) гусеницами. Все машины при испытаниях были приведены к эквивалентной массе. В ходе экспериментов на специально организованных трассах производился замер глубины оставляемой колеи, определялись твердость почвы (сопротивление пенетрации), её плотность и пористость на поверхности и на глубине 15-20 см до и после трех-, шести-, девятикратных проходов машин. Все исследуемые параметры влияют на способность развития питающих корней в почвенном слое, следовательно, характеризуют экологическую совместимость движителей с почвой.

Глубина колеи, наиболее распространенный показатель оценки взаимодействия машин с почвой, имела тенденцию к возрастанию. Следует отметить, что у гусеничных машин к третьему проходу по одному следу произошло разрушение растительного покрова с разрыхлением почвы по следу движения. К шестому проходу колея частично засыпалась волочащейся пачкой, но затем стала вновь углубляться. После этого наблюдался устойчивый рост её глубины. Среднее значения глубины колеи приведено в таблице 1.

Таблица 1

Среднее значение колееобразования

Среднее значение колееобразования 1Д1 -ЬЬА, см % 1Д1-ЬЬЬ, см % IJ1Ü1Ü, см %

Три прохода 5,1 100 3 58,8 0,7 13,7

Шесть проходов 4,9 100 2,1 42,9 2,4 49

Девять проходов 6,8 100 6,6 97,1 3,4 50

Исследования по влиянию машин на подрост, оставляемый на волоке, показали, что для подроста, не превышающего по высоте величины 1,5 клиренса, трех-шести кратный проход не опасен (если он оказался не на колее).

Результаты замеров твердости показывают, что воздействие машин на почву распространялось на глубину 30-35 см. С ростом интенсивности движения твердость почвы в колее повышалась. На рис. 6 для примера приведены графики изменения твердости по глубине для форвардера ТипЬецаск-ЮЮ при разном числе проходов. Для трактора ТДТ-55, аналогично с изменением глубины колеи, при трех проходах на глубине до 6-7 см произошло разрыхление почвы и понижение твердости, хотя в более глубоких слоях твердость возросла. В остальных случаях происходило увеличение твердости. При этом на глубине данное увеличение для гусеничных и для колесной машин носит практически одинаковый характер и величину. Разница в показаниях пенетрометра наблюдается только в верхних горизонтах (до 10-13 см).

Рис. 6. Изменение твердости почвы по глубине (для 17-1010)

До проведения испытаний контрольные образцы почвы имели достаточно большой разброс по плотности в пределах 1,30 - 1,57 г/см3. После движения машин этот показатель достигал 1,61 -1,75 г/см3. На рис. 7 приведены графики, иллюстрирующие изменение плотности почвы в колее по отношению к контролю для слоя 0-5 см и 15-20 см по глубине. В верхнем слое почвы (0-5 см) уплотнение более значительно, чем в нижнем (15-20 см). При этом разница в степени

упло| исм11)| мочим ра иш'ш|,|ми м.пппп.шп су тсс I пенно 11|>осм;| I рпплс I си юлько п верхнем слое. На глубине последствия изменения плотности после движения исследованных машин оказались практически не существенными для рассмотренных условий испытаний.

Уплотнение почвы привело и к снижению её пористости в зоне колеи. Если до испытаний (контроль) пористость составляла 51-54%, то после девятого прохода она снизилась до 39-46%.

Глубина почвенного слоя 0-5 см

¡□Timberjack 1010 аТДТ-55 aW-55m |

Глубина почвенного слоя 15-20 см

зщ 'ФУ,

ш

'■Ж' —

[W

3 11 6 проходов 9 проходов

¡□Timberjack 1010 ИТДТ-55 ЩДТ-55Ш |

Рис. 7. Изменение плотности почвы от числа проходов машин

Сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования подтвердило адекватность предложенных конечно-элементных моделей: разница по глубине образуемой колеи не превысила 8%, разница в увеличении твердости почвы в колее составила 6-12%.

7. Экспериментальная проверка адекватности разработанной имитационной модели рубок ухода. Целью эксперимента являлась проверка адекватности разработанной модели технологического процесса рубок ухода и возможности её использования в компьютеризированной системе принятия решений. Объектами исследований явились лесные участки международного научного объекта «Тайга - модельный лес» (Пряжинский район, Республика Карелия) и лесные участки в провинции Северная Карелия (Финляндия). Рубки проводились в сосновых 60-летних древостоях, смешанных (ель-сосна) древостоях 60 летнего возраста и в еловых с примесью березы древостоях 40 и 60 лет, являющихся характерными для Восточной Фенноскандии. Отработка методики осуществлялась на шести опытных участках, освоенных по различным технологическим схемам.

Система машин, используемая для экспериментальной рубки, представляла колесный харвестер (4x4) ТипЬед'аск-870, оснащенный

харвестерной головкой TJ 746В, и колесный форвардер (8x8) Timberjack-810B. Определение объема заготавливаемой древесины, в том числе отдельно по технологическим коридорам, проводилось с использованием штатного микрокомпьютерного устройства Timberjack 3000, которыми оснащаются все производимые этой фирмой харвестеры. Учет производительности работы форвардера осуществлялся оператором машины и нормировщиком на погрузочном пункте. Данные по реальной производительности машин сравниваются с полученными при имитационном моделировании.

Для оценки качества выполнения программы рубок, доступности деревьев, повреждаемости почвы и оставленного на доращивание древостоя проводилась инвентаризация лесного участка до и после рубки. Инвентаризация основывается на методе исследования пробных площадей, размещаемых на сети мерных линий.

Полученные в ходе инвентаризации результаты обрабатывались с помощью электронных таблиц Excel. С использованием экспериментальных данных проводится расчет показателей производительности машин в системе, качества выполнения программы рубок, доступности и повреждаемости, величины которых сравниваются с полученными при моделировании тех же природных условий, технологии и машин в компьютерном эксперименте (табл. 2).

Таблица 2

Сравнение величин показателей, полученных при натурном и компьютерном экспериментах

Показатель Натурный эксперимент Компьютерный эксперимент Отклонение, %

Производительности 0,4242 0,3922 -7,5

Качества 0,4583 0,4284 -6,5

Доступности 0,2092 0,1968 -5,9

Повреждаемости древостоя 0,0447 0,0472 +5,5

Повреждаемости почв и корней деревьев 0,0493 0,0547 + 11

Как видно из таблицы, разница в величинах показателей, полученных на основе обработки натурного и компьютерного экспериментов, составила 5,5-11%, что подтверждает возможность применения разработанных имитационных моделей в предлагаемой компьютеризированной системе принятия решений.

8. Применение разработанной компьютеризированной системы принятия решений. Возможности использования предложенной системы принятия решений были продемонстрированы на примере решения задач регионального подразделения Гослесхоза.

С использованием ГИС-технологий на основе программы Мар1пАэ в качестве исходных данных для моделирования приняты характерные для Восточной Фенноскандии древостой 30 и 60-летнего возраста с различными доминирующими породами.

В качестве альтернативных систем машин (харвестер+форвардер) для проведения рубок ухода в указанном регионе для сравнительного анализа предложены следующие:

• Харвестер "ПтЬецаск-870 и колесный форвардер гПтЬеуаск-810В;

• Харвестер Ьо§зе1-506Н и колесный форвардер 1^зе1-504Р;

• Харвестер Мокка-бУУО и колесный форвардер Мокка-24\УО;

• Харвестер ЛП-62 и колесный форвардер ЛТ-189М.

Первые три системы машин финского производства, последняя -отечественного. Отечественные харвестер и форвардер созданы по модульному принципу на базе тракторов МТЗ.

В исследованных природно-производственных условиях по основным концептуальным параметрам оптимальными для машинизации рубок ухода являются машины, представленные в табл. 3.

Таблица 3

Предпочтительные системы машин для проведения рубок ухода в рассмотренных природно-производственных условиях

Доминирующая Возраст древостоев для проведения рубок ухода

порода деревьев

в древостое 30 лет 60 лет

Ель Т1тЬецаск-870 + ЛП-62 +

ТтЬец'аск-810В ЛТ-189М

Сосна Ьо£Бе1-506Н + ЛП-62 +

Ьо§8е1-504Р ЛТ-189М

Смешанные Ель ЛП-62 + ЛП-62 +

+ Сосна ЛТ-189М ЛТ-189М

Береза Ыокка-6\УО + ЛП-62 +

Мокка-24\УО ЛТ-189М

Система машин ЛП-62 + ЛТ-189М наиболее подходит для рубок ухода в древостоях 60-летнего возраста с числом стволов 0,4-0,7 тыс. шт./га. (рис. 8 и 9).

Критерий I

3 .9 3 , 3 .8 3 , 3 ,7 3 . 3 .6 3 , 3 .5 3 ,

1 1

Я

шт ХЛХХХХ. я

В

и ЩЙ щш

588888

ШШ9 888888; жШ:

Т .('870

»10 1

5-5 06 Н + 5 0 4 Р

N о к к а • I) » N о И I 2 4 11

•62 + Л Т 1 8 9 М

системы машин

л (I

Критерий 2

О .5 0,4 9 0,4 8 0,4 7 0.4 6 0,4 5 0,44 0.4 3

I 1 ■ 8 7 0 * Т J • 8 I О В

1. 5-506 II + I. * • 5 0 4 К

N о к к а -6 V I) - N.. к к ; 2 4 Ч. О

Л II -6 2' + Л Г I 8 9 М

системы м а I

Критерий 3

систем ы

н

м • ш

Рис. 8. Значения полипоказателей для 60-летнего елового древостоя

аТ1-870+Т1-810В Н 1£-506ЬМ5-5(Ш- В >Ша-6\У1>№кка-24Щ) ■ ЛП-62+ЛГ-189М

Рис. 9. Значения частных показателей для 60-летнего елового древостоя

Для более загущенных древостоев 30-летнего возраста (1,9-1,2 тыс. шт./га.) большая масса и ширина машин этой системы ведет к росту повреждений корневых систем и стволов деревьев (особенно в еловых насаждениях), что увеличит их отпад. У форвардера ЛТ-189М отмечается недоиспользование грузового момента манипулятора с серийным захватом при рубках ухода во всех типах древостоев. Желательна установка более объемного захвата. Для системы машин ЛП-62 + ЛТ-189М отмечается высокая пространственная доступность деревьев при рубке во всех древостоях, особенно в загущенных насаждениях (1,9 тыс. шт./га.). Это обусловлено наименьшим размером (габаритной шириной) харвестерной головки по сравнению с другими харвестерами (1066 мм).

Некоторое снижение качества выполнения намеченной программы рубок системой машин ЛП-62 + ЛТ-189М является следствием недостаточности вылета манипулятора харвестера (9,0 м).

Таким образом, система машин ЛП-62 + ЛТ-189М, созданных на базе сельскохозяйственного трактора МТЗ-80 по модульному принципу, по комплексу рассмотренных критериев способна выполнять рубки ухода на достаточно высоком уровне в лесах Восточной Фенноскандии, в частности - на территории Республике Карелия. Совершенствование машин позволит сделать их конкурентоспособными по отношению к лучшим зарубежным аналогам.

9. Экспериментальное обоснование возможности использования трактора МТЗ-80 в качестве энергетического модуля лесной машины.

Проведенные исследования показали перспективность использования на рубках ухода в бореальных лесах Восточной Фенноскандии отечественных

систем машин (харвестер ЛП-62 и форвардер ЛТ-189М), созданных по модульному принципу с использованием в качестве энергетического базового средства трактора МТЗ-80. Необходимым условием использования трактора МТЗ-80 в качестве моторного модуля лесной машины является соответствие нагрузочных режимов расчетным, заложенным в конструкцию заводом-изготовителем.

В данной главе описаны методика и результаты экспериментальных исследований опытного образца колесной манипуляторной лесной машины, изготовленной мастерскими КарНИИЛПа по блочно-модульному принципу на базе трактора МТЗ-80 и послужившей основой для создания харвестера ЛП-62 и форвардера ЛТ-189М.

В ходе испытаний определялись нагрузочные режимы трансмиссии (крутящие моменты на полуосях ведущего моста энергетического модуля и на карданном валу привода колес заднего модуля, число оборотов), проверялись на прочность наиболее нагруженные узлы и детали ходовой системы (вертикальные и горизонтальные изгибающие моменты на рукавах полуосей), осуществлялась проверка работоспособности шин (угол поперечного крена, вертикальные и поперечные ускорения переднего модуля), исследовались режимы гидравлической системы (давление масла в магистралях приводов поворотного механизма машины и манипулятора).

Определение всех параметров проводилось методом тензометрирования с записью процессов осциллографом К12-22.

Средняя статистическая мощность двигателя, реализуемая через полуоси ведущего моста, по результатам эксперимента для режима холостого хода равна 13,32 кВт (23,9% от номинальной мощности двигателя Мном), для рабочего хода 14,08 кВт (26,6%ЫН0М). Соответствующие максимальные значения 31,03 кВт (52,8% М„ом) и 23,80 кВт (40,5%Мном). При этом среднее значение скоростей холостого и рабочего ходов 6,76 и 5,26 км/ч. При включенном вале отбора мощности для привода колес заднего модуля через него передается максимум 6,41 кВт (10,9%М„ом); среднестатистическое значение 3,80 кВт (6,5%Мном). Удельное время работы машины на основных режимах в годовом цикле следующее: холостой ход 7%, рабочий ход 9%, погрузка и разгрузка 84%. Завод изготовитель допускает реализацию через полуоси ведущего моста и вал отбора мощности 65% и 35 % Ы„ом соответственно при скоростном режиме до 15 км/ч и 40-процентном использовании в годовом цикле.

Оценка работоспособности полуосей на кручение по максимальному моменту дала значение запаса прочности п = 1,53 для наиболее опасного сечения. Для рукавов полуосей в случае косого изгиба п = 2,7.

Среднее значение нагрузки на применяемые шины Я-319 (18,4/15-30) при движении в лесу с полным возом составило 32,4 кН, при скорости не более 8 км/ч. В этих условиях работоспособность шин сохраняется при внутреннем давлении 0,15-0,18 МПа.

Среднее статистические значения давления масла равны: в магистрали механизма поворота машины 2,75 МПа (20% допускаемого значения), в магистралях привода стрелы и рукояти 6,85 МПа (51%), магистрали привода

захвата, ротатора и механизма поворота манипулятора 8 МПа (59%). Максимальное давление на всех магистралях не превысило 12,5 МПа.

Результаты испытаний подтвердили возможность использования трактора МТЗ-80 в качестве моторного модуля лесной машины по всему комплексу исследуемых параметров. С целью дальнейшего совершенствования конструкции с учетом установки современного технологического оборудования и для повышения проходимости предлагается применение дополнительных колесных редукторов, разгружающих полуоси и повышающих клиренс машины до 550 мм с одновременным смещением оси переднего модуля вперед. При этом передний угол въезда увеличивается на 23%. Рекомендуется установка шин большей грузоподъемности.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Анализ состояния экосистемы бореальных (северных) лесов и современной ситуации в лесозаготовительной отрасли показал значимость и перспективность развития систем рубок ухода за лесом, как важного фактора повышения продуктивности лесов и источника получения дополнительного древесного сырья от промежуточного пользования. Применение рубок ухода позволяет увеличить возможный размер пользования древесиной для ельников на 30%, для сосняков на 40%. При этом решается важная экологическая проблема сохранения северных девственных лесов от дополнительного вовлечения их в эксплуатацию.

2. При анализе мировой тенденции развития рубок ухода установлено, что в ряде северных стран объем древесины, получаемой от рубок ухода, достигает 30-40% всего объема заготовок (против 2-5% в России). Выявлен устойчивый рост уровня машинизации рубок до 85-90% с применением системы машин «харвестер+форвардер», работающих по сортиментной технологии. Установлено, что отечественная система рубок ухода развивается в русле общемировых тенденций. У отечественных лесозаготовителей растет интерес к современным средствам машинизации рубок ухода, увеличивается количество экспортируемых машин и оборудования, назрела потребность в создании соответствующей серийной отечественной техники.

3. Важнейшей проблемой машинизации рубок ухода является обеспечение минимального уровня повреждаемости оставляемого на доращивание древостоя и почвы, при выполнении заданных программ рубок и высокой производительности работ. Для решения этой проблемы предложена новая концепция выбора и обоснования основных параметров машин для проведения рубок ухода, отличающаяся системным подходом, учетом многообразия природно-производственных условий эксплуатации и альтернатив выбора машин при приоритете экологического фактора, базирующаяся на новых компьютерных и информационных технологиях.

4. В соответствии с разработанной концепцией создана человеко-машинная (компьютеризированная) блочно-иерархическая трехуровневая система принятия решений. Нижний уровень (оперативного планирования)

предназначен для решения задач оценки эффективности работы машин на рубках ухода в конкретных условиях лесхозов и лесозаготовительных предприятий. Средний уровень (стратегического планирования) позволяет проводить оптимальный выбор машин, имеющихся на рынке лесозаготовительной, техники, для конкретных условий лесной среды в масштабах задач, решаемых региональными государственными лесохозяйственными комитетами и крупными лесопромышленными объединениями. Верхний уровень (проектный) - уровень исследователя и конструктора-разработчика новой техники - дает возможность научно обосновывать основные параметры проектируемых машин в соответствии с будущими условиями эксплуатации, к Предлагаемая компьютеризированная система принятия решений состоит из набора блоков информационной поддержки и моделирующих блоков, в которых также производится расчет показателей, характеризующих исследуемые процессы. Уровень решаемых задач определяет характер связей между блоками компьютеризированной системы и степень их задействованности в процессе принятия решения. Окончательное принятие решения производится человеком-пользователем на основе анализа величин показателей и имеющегося опыта в соответствии с реальной ситуацией. Система принятия решений способна развиваться и совершенствоваться путем введения новых блоков, обеспечивающих автоматизацию решения новых задач.

В качестве основных показателей эффективности, оценивающих работу машин на рубках ухода, целесообразно использовать полипоказатели качества и ряд частных показателей (показатели повреждаемости древостоя и почвы, доступности деревьев в рубку, производительности машин и их согласованности в системе, качества выполнения работ, металлоемкости). Для повышения точности принимаемых решений расчет полипоказателей на основе свертывания частных показателей предложено проводить тремя способами (равномерной оптимальности, Гермейера, справедливого компромисса). В задачах принятия решений высшего уровня дополнительно рекомендовано использование уточняющих принятие решения показателей оценки взаимодействия машин с почвой (глубина колеи, удельное давление на почву и напряжения в ней).

Для обеспечения функционирования компьютеризированной системы принятия решений в среде Microsoft Excel созданы информационные электронные базы данных по современным машинам и оборудованию для машинизации рубок ухода (харнесгсры, фориардеры, манипуляторы, рабочие органы). Базы данных совместимы с любыми Microsoft приложениями, что позволяет импортировать необходимые данные для моделирования технологических процессов. На основе обработки баз данных получены зависимости между основными концептуальными параметрами машин, рекомендуемые для применения при обосновании параметров вновь проектируемой техники.

8. В информационном блоке лесной среды её моделирование целесообразно свести к адаптации существующих алгоритмов генерации ряда таксационных, климатических, почвенных и рельефных характеристик лесосеки на ПЭВМ для соответствующего лесосырьевого района на основе использования ГИС-технологий. Наиболее целесообразно представить сгенерированную структуру древостоя в виде лесохозяйственной географической информационной системы лесосеки.

9. Для определения показателей эффективности функционирования машин в соответствующем блоке системы принятия решений целесообразно использовать методы имитационного моделирования технологических процессов проведения рубок ухода. Экспериментальная проверка адекватности разработанных имитационных моделей показала, что разница в величинах показателей, полученных на основе обработки натурного и компьютерного экспериментов, составила 5,5-11%, что подтверждает возможность применения разработанных имитационных моделей в предлагаемой компьютеризированной системе принятия решений.

10. Исследование процессов взаимодействия ходовых систем машин с почвой целесообразно проводить на основе использования метода конечных элементов. Предложенная конечно-элементная модель почвы учитывает её упруго-пластические свойства (модель Друккера-Прагера), наличие корней и камней в почвенном слое, определяющих специфику почвы северных лесов. Адекватность предложенная модель взаимодействия ходовых систем лесных машин с почвой подтверждена результатами натурных экспериментов по определению глубины оставляемой колеи и росту твердости почвы. Разница между экспериментальными и расчетными данными не превысила по глубине колеи 8%, по увеличению твердости почвы в колее 12%.

11. Применение разработанной системы принятия решений для уровня стратегического планирования при решении задач по оптимальному выбору машин для конкретных условий лесной среды в масштабах Государственного комитета по лесу Республики Карелия и крупной региональной лесозаготовительной компании «Кареллеспром» показало, что в условиях Восточной Фенноскандии (Северо-запад РФ) на рубках ухода во всех древостоях 60-летнего возраста и 30-летних при равном соотношении ели и сосны вполне целесообразно применение отечественных машин: харвестера ЛП-62 и форвардера ЛТ-189М, созданных КарНИИЛПом по модульному принципу на базе сельскохозяйственного трактора МТЗ-80. Для проведения рубок в 30-летних древостоях наилучшими вариантами применения оказываются следующие системы машин: при доминировании ели -"ПтЬецаск-870 + "ПтЬеуаск-810В, при доминировании сосны - Ьо§зе1-506Н+Ьо§зе1-504Р, при доминировании березы - Мокка6\УВ+Мокка-24\УО. Система машин харвестер ЛП-62 и форвардер ЛТ-189М является наиболее подходящей для машинизации рубок ухода в древостоях имеющих 400-700 стволов на гектаре. В более загущенных древостоев (свыше 1000 стволов на гектаре) большая масса и ширина машин ведет к росту повреждений почвы и

корневых систем оставляемых деревьев в среднем на 3% и стволов на 3,5%, особенно в еловых насаждениях (5% и 4,5%).

12. Проведенная экспериментальная оценка нагруженности узлов трактора МТЗ-80 при работе в качестве энергетического модуля лесной машины показала перспективность выбранного направления создания системы лесных машин для рубок промежуточного пользования на основе модульного принципа. Проведенные исследования явились основанием для дальнейшей более углубленной проработки конструкции семейства машин в Карельском НИИ лесной промышленности и внедрением их в серийное (форвардеры) и опытное (харвестеры) производство.

13. Внедрение созданной компьютеризированной системы способствовало решению задач по выбору техники для проведения рубок ухода на предприятиях и организациях Республики Карелия. Полученные рекомендации по выбору технологий и систем машин позволили повысить производительность работ на рубках ухода на 7-12%, снизить повреждаемость оставляемого древостоя на 2,5% при выполнении запланированных программ рубок, что обеспечило расчетный экономический эффект по Госкомлесу Республики Карелия 119 тыс. рублей. Экономический эффект от внедрения научных разработок и соответствующих практических рекомендаций по использованию техники для сортиментной заготовки леса по АХК «Кареллеспром» оценивается в 200 тыс. руб. в год.

14. Исследования и практические рекомендации по созданию семейства лесных машин по модульному принципу с использованием тракторов МТЗ-80 позволили наладить серийное производство форвардеров и подготовить документацию на серийное производство харвестеров. Лесопромышленный экономический эффект от использования машин составляет 8,7 доллара на 1 м3 заготовленной древесины. Расчетный годовой экономический эффект от использования при проектировании машин методик и рекомендаций автора диссертационной работы оценивается КарНИИЛПом в 0,9 доллара на 1 м3 заготовленной древесины.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

Монографии

1. Герасимов Ю.Ю., Сюнёв B.C. Лесосечные машины для рубок ухода: Компьютерная система принятия решений. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 1998. 236 с.

2. Герасимов Ю.Ю., Сюмён П.С. Около! мческля оптимизация юмтлогнчсских процессов и машин для лесозаготовок. Иоэнсуу: Изд-во университета Йоэнсуу (Финляндия), 1998. 178 с.

Учебные пособия

3. Герасимов Ю.Ю., Кильпеляйнен С.А., Костюкевич В.М., Сюнёв B.C. Манипуляторные системы лесных машин: проектирование и расчет. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 1994. 95 с.

Статьи

4. Сюнёв B.C. Методика оценки устойчивости колесного сортиментовоза с шарнирно-сочлененной рамой и манипулятором // Машины и орудия для механизации лесозаготовок и лесного хозяйства: Межвуз. сб. научн.трудов. Вып.П /ЛТА. J1., 1982. С. 45-48.

5. Сюнёв B.C. Методика исследования вертикальных и боковых нагрузок на колеса лесной машины с манипулятором // Машины и орудия для механизации лесозаготовок и лесного хозяйства: Межвуз. сб. научн. трудов /ЛТА. Л., 1983. С. 34-35.

6. Сюнёв B.C. Исследование нагруженное™ опорных элементов лесной колесной машины с манипулятором в режиме погрузки-разгрузки // Машины и орудия для механизации лесозаготовок и лесного хозяйства: Межвуз. сб. научн. трудов /ЛТА. Л., 1984. С. 30-32.

7. Сюнёв B.C. Динамические нагрузки на пневматические шины манипуляторных машин // Повышение технического уровня и качества машин для лесозаготовок и лесного хозяйства: Межвуз. сб. научн. трудов /ЛТА. Л., 1985. С. 89-91.

8. Сюнёв B.C., Тарасевич В.Э., Трофимов A.B. О базовом шасси для рубок промежуточного пользования // Повышение эффективности лесного комплекса Карельской АССР. Петрозаводск, 1985. С. 19-20.

9. Сюнёв B.C., Трофимов A.B., Гуляев Н.Ю. Исследование нагруженное™ первого модуля подборочно-транспортной машины // Повышение эксплуатационной эффективности машин для лесозаготовок и лесного хозяйства: Межвуз. сб. научн. трудов/ЛТА. Л., 1986. С. 105-109.

10. Сюнёв B.C. Анализ изменения компоновки манипулятора подборочно-транспортной машины // Интенсификация лесозаготовительно-го и лесохозяйственного производства на основе перспективных машин: Межвуз. сб. научн. трудов /ЛТА. Л., 1987. С. 30-32.

11. Сюнёв B.C., Белоусов В.И., Дмитриев А.Ф. Создание систем машин для несплошных рубок леса на базе тракторов МТЗ // Научно-техн. прогресс и развитие науки /ПГУ. Петрозаводск, 1987. С. 79-80.

12. Костюкевич В.М., Герасимов Ю.Ю. Сюнёв B.C. Усталостная долговечность элементов технологического оборудования лесных машин при динамических нагрузках // Лес, окружающая среда и новые технологии в северной Европе. Йоэнсуу / Изд. ун-та Йоэнсуу, 1994. С. 458-460.

13. Сюнёв B.C., Герасимов Ю.Ю., Костюкевич В.М. Компьютерная информационная система "ХАРВЕСТЕРЫ" // Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ. Вып. 1. Петрозаводск. 1996. С. 90-96.

14. Костюкевич В.М., Герасимов Ю.Ю., Сюнёв B.C., Давыдков Г.А. Комплексная методика обеспечения безотказности и долговечности металлоконструкции манипулятора при проектировании // Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ. Вып. 1. Петрозаводск. 1996. С. 33-36.

15. Герасимов Ю.Ю., Костюкевич В.М., Сюнёв B.C. Метод конечных элементов в автоматизированном проектировании лесных машин // Проблемы развития

лесного комплекса Карелии: Тезисы докладов республиканской научно-практической конференции / КарНИИЛП, Петрозаводск, 1996. С. 30-32.

16. Gerasimov Yu.Yu., Siounev V.S. Harvester crane key parameters optimization in European Russian Pines // Journal of Forest Engineering (Canada). 1997. 8(1) P. 63-74.

17. Сюнёв B.C. К вопросу взаимодействия лесных машин с почвой // Повышение эффективности подготовки биомассы дерева к переработке на щепу: Сборник науч. трудов / КарНИИЛП. Петрозаводск, 1997. С. 41-43.

18. Gerasimov Yu.Yu., Siounev V.S. Forest machinery crane compound scheme synthesis: "skeleton" part // Journal of Forest Engineering (Canada). 1998. 9(1) P. 25-30.

19. Сюнёв B.C., Герасимов Ю.Ю., Костюкевич B.M. Компьютерные информационные системы по лесозаготовительной технике // Региональные проблемы развития лесного комплекса: Тезисы докладов республиканской научно-практической конференции / КарНИИЛП. Петрозаводск, 1998. С. 15-16.

20. Сюнёв B.C., Герасимов Ю.Ю. Моделирование и оптимизация функционирования лесных машин при рубках ухода // Обоснование параметров и технических решений лесозаготовительных и лесохозяйственных машин и оборудования: Межвузовский сборник научных трудов /ЛТА. Санкт-Петербург, 1998. С. 71-77.

21. Сюнёв B.C. Технологии и машины для сортиментных лесозаготовок в северных лесах / Петрозаводский гос. ун-т. Петрозаводск, 1998. 53 с. Деп. в ВИНИТИ 04.08.98, № 2508-В98.

22. Сюнёв B.C. Имитационное моделирование как средство поддержания системы принятия решений в области лесных технологий и машин / Петрозаводский гос. ун-т. Петрозаводск, 1998. 69 с. Деп. в ВИНИТИ 04.08.98, № 2509-В98.

23. Сюнёв B.C. Экологические последствия движения лесных колесных машин // Ресурсосберегающие технологии лесного комплекса: Тезисы докладов республиканской научно-практической конференции / КарНИИЛП. Петрозаводск, 1998. С. 13-14.

24. Герасимов Ю.Ю., Сюнёв B.C. Моделирование и экологически обусловленная оптимизация функционирования лесных машин // Ресурсосберегающие технологии лесного комплекса: Тезисы докладов республиканской научно-практнчсской конференции/ КарНИИЛП. Петрозаводск, 1998. С. 14-15.

25. Герасимов Ю.Ю., Сюнёв B.C. Создание компьютерной системы принятия решений в области лесных технологий и машин // Актуальные проблемы лесного комплекса Республики Карелия: Научные труды Ка1 / Карельская инж. академия. Петрозаводск, 1998. 64 с.

26. Gerasimov Yu. Yu., Siounev V. S. Computerizing decision making system for logging machinery // Forest sector development problems: International conference. Petrozavodsk, 1998. P.8.

27. Kostjukevitch V. M., Gerasimov Yu. Yu., Siounev V. S., Kilpelainen S. A. Probability of non-failure operation estimation of the forest machine hydrolic crane

with technological defects // Forest sector development problems: International conference. Petrozavodsk, 1998. Pp. 17-18.

28. Kiljunen N., Jouhiaho A., Siounev V. S., Davidkov G. A. Soil compaction caused by logging operations (comparative study of Scandinavian and Russian logging technology) // Forest sector development problems: International conference. Petrozavodsk, 1998. P. 42-43.

29. Сюнёв B.C., Давыдков Г.А., Кильюнен H., Йохиахо А. Методика оценки воздействия лесных машин на почвы (сравнительные испытания российских и финских лесных технологий) // Научно-методическое обеспечение лесного комплекса Карелии: Тезисы докладов научно-практической конференции. Петрозаводск, 1999. С. 14-15.

30. Кильпеляйнен С.А., Сюнёв B.C. Обоснование выбора экспериментальных лесных участков для сравнительных исследований лесозаготовительных процессов на базе ГИС-технологий // Научно-методическое обеспечение лесного комплекса Карелии: Тезисы докладов научно-практической конференции. Петрозаводск, 1999. С. 21-23.

31. Сюнёв B.C. Экспериментальное обоснование возможности использования трактора МТЗ-80 в качестве энергетического модуля лесной машины / Петрозаводский гос. ун-т. Петрозаводск, 1999. 38 с. Деп. в ВИНИТИ 22.01.99. № 177-В99.

32. Сюнёв B.C. Воздействие манипулятора лесной колесной машины на нагруженность шин и динамическую устойчивость (экспериментальное исследование) / Петрозаводский гос. ун-т. Петрозаводск, 1999. 20 с. Деп. в ВИНИТИ 22.01.99. № 176-В99.

33. Сюнёв B.C., Давыдков Г.А., Кильюнен Н., Йохиахо А. Техногенное воздействие лесных машин на почвы // Биологические основы изучения, освоения и охраны животного и растительного мира, почвенного покрова Восточной Фенноскандии: Тезисы докладов международной конф. / Институт биологии Карельского НЦ РАН. Петрозаводск, 1999. С. 202-203.

34. Герасимов Ю.Ю., Кильпеляйнен С.А., Сюнёв B.C. Имитационное моделирование и экологическая оптимизация техпроцесса и машин для рубок ухода за лесом на основе ГИС-технологий // Биологические основы изучения, освоения и охраны животного и растительного мира, почвенного покрова Восточной Фенноскандии: Тезисы докладов международной конф. / Институт биологии Карельского НЦ РАН. Петрозаводск, 1999. С.183-184.

35. Сюнёв B.C. Изменения в почве после движения лесных машин: сравнительные испытания гусеничных и колесных трелевочных средств / Петрозаводский гос. ун-т. Петрозаводск, 1999. 28 с. Деп. в ВИНИТИ 27.07.99. № 2429-В99.

36. Сюнёв B.C. Современные лесозаготовительные машины и лесная среда / Петрозаводский гос. ун-т. Петрозаводск, 1999. 28 с. Деп. в ВИНИТИ 27.07.99. № 2430-В99.

37. Сюнёв B.C., Герасимов Ю.Ю., Костюкевич В.М. Шагающие лесные машины И Строительные и дорожные машины. 1999. № 4. С. 23-35.

38. Gerasimov Yu. Yu., Siounev V. S. Operations research: an application into logging studies // Scandinavian Forest Economics, Umea, Sweden. № 37 . 1999. P. 201-203.

39. Сюнёв В. С., Кильпеляйнен С. А. Обоснование выбора систем машин для рубок ухода на основе имитационного моделирования / Петрозаводский гос. ун-т. Петрозаводск, 1999. 21 с. Деп. в ВИНИТИ 24.11.99 №.3480-В99.

40. Сюнёв В. С., Кильпеляйнен С. А. Экспериментальная оценка адекватности имитационных моделей рубок ухода / Петрозаводский гос. ун-т. Петрозаводск, 1999.22 с. Деп. в ВИНИТИ 24.11.99 №.3481-В99.

41. Герасимов Ю.Ю., Сюнев B.C. Моделирование, экологическая оптимизация и экспериментальные исследования техпроцессов и машин для рубок ухода на основе ГИС-технологий // Вестник Центрально-черноземного регионального отделения наук о лесе РАЕН. Вып.2 / Воронеж, ВГЛТА. 1999. С. 115-118.

42. Аланне X., Сюнёв B.C. Машинизация заготовки леса в Финляндии (состояние и перспективы) // Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ. Вып.2. Петрозаводск, 1999. С. 3-8.

43. Сюнёв B.C., Герасимов Ю.Ю., Костюкевич В.М. Компьютерная нформационная система "ФОРВАРДЕРЫ" // Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ. Вып.2. Петрозаводск, 1999. С. 161-167.

44. Gerasimov Yu. Yu., Siounev V. S. Forest machinery crane compound scheme synthesis: optimization of hydraulic cylinder operating mechanisms // Journal of Forest Engineering (Canada). 2000. 11(1) P. 73-79.

45. Сюнёв В. С., Давыдков Г. А., Кильпеляйнен С. А., Кильюнен Н., Йохиахо А. Сравнительные испытания воздействия машин на лесной участок (колееобразование) // Теоретические и экспериментальные исследования машин и механизмов лесного комплекса: Межвуз. сб. науч. тр. / СПб.:Изд.-во СПб ЛТА, 2000. С. 139-144.

46. Сюнёв В. С., Давыдков Г. А., Кильюнен Н. ГИС как инструмент в решении задач экологической совместимости «машина - лесная среда» // Тезисы докладов международной научно-практической конференции Научно-технический прогресс в лесном комплексе. Сыктывкар, 2000. С. 3-4.

47. Герасимов Ю. Ю., Кильпеляйнен С. А., Костюкевич В. М., Сюнёв В. С. Анализ эффективности работы форвардеров на основе имитационных ГИС моделей // Тезисы докладов международной научно-практической конференции Научно-технический прогресс в лесном комплексе. Сыктывкар, 2000. С. 9.

48. Сюнёв В. С. Моделирование лесной почвы методом конечных элементов / Петрозаводский гос. ун-т. Петрозаводск, 2000. 19 с. Деп. в ВИНИТИ 06.06.2000. №1617-R00.

49. Сюнёв В. С. Использование метода конечных элементов при исследовании экологической совместимости машин с почвой / Петрозаводский гос. ун-т. Петрозаводск, 2000. 13 с. Деп. в ВИНИТИ 06.06.2000. №1616-В00.

Авторские свидетельства.

50. Авторское свидетельство № 1031814. Транспортное средство для перевозки длинномерных грузов. / Коршун В.Н., Сюнёв B.C. Опубл. бюл. №28 от 30.07.83. Москва, ВНИИПИ.

51. Авторское свидетельство № 1103825А. Манипулятор лесозаготовительной машины. / Александров В.А., Баринов К.Н., Коршун В.Н., Сюнёв B.C. Опубл. бюл. №27 от 23.07.84. Москва, ВНИИПИ.

Просим ваши отзывы по автореферату в двух экземплярах с заверенными подписями направлять по адресу: 394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ВГЛТА, Факс 0732-53-94-61, Ученому секретарю.

Сюнёв Владимир Сергеевич Обоснование выбора систем машин для рубок ухода

Автореферат

ЛР№ 040110 от 10.11.96. Гигиенический сертификат № 10. Кц. 34.953.П. 00136.03.99 от 05.03.99г. Подписано в печать 07.07.2000. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Офсетная печать. 2,2 уч. -изд. Л 10 усл. Кр -отт Изд. № 167 Тираж 100 экз.

Издательство Петрозаводского государственного университета Петрозаводск, пр. Ленина,33

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Формирование экосистемы бореальных (северных) лесов и ее современное состояние.

1.2. Биолого-экологическое значение рубок ухода и их место в системе лесоэксплуатации.

1.3. Машинизация рубок ухода.

1.4. Современная сортиментная технология и машины.

1.5. Повреждаемость древостоев и почвы от воздействия лесной техники.

1.6. Задачи исследования.

2. КОНЦЕПЦИЯ ВЫБОРА МАШИН ДЛЯ РУБОК УХОДА.

2.1 Обоснование концепции компьютеризированного выбора машин.

2.2. Процедура принятия решений.

2.3. Описание структуры компьютеризированной системы принятия решений.

2.4. Обоснование применяемых методов моделирования и системы показателей.

2.5. Алгоритм принятия решения.

Выводы.

3. РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ КОМПЬЮТЕРИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ.

3.1. Построение компьютерных моделей лесной среды.

3.1.1. Географические информационные системы.

3.1.2. Моделирование природно-производственных условий.

3.1.2.1. Климатические условия.

3.1.2.2. Рельеф местности и почвенно-грунтовые условия.

3.1.2.3. Модельная лесосека.

3.2. Построение компьютерных информационных систем по машинам и оборудованию для сортиментной заготовки леса.

3.2.1. Исходные материалы и программное обеспечение.

3.2.2. Обоснование структуры баз данных.

3.2.3. Анализ основных моделей харвестеров.

3.2.4. Анализ основных моделей форвардеров.

3.2.5. Анализ основных моделей манипуляторов.

3.2.6. Анализ основных моделей харвестерных головок.

Выводы.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ХОДОВЫХ СИСТЕМ МАШИН НА ЛЕСНЫЕ ПОЧВЫ.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Основные понятия.

4.3. Моделирование лесной почвы.

4.4. Моделирование элементов ходовых систем.

4.5. Результаты моделирования взаимодействия элементов ходовых систем с лесной почвой.

Выводы.

5. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РУБОК УХОДА.

5.1. Структура имитационной модели.

5.2. Описание алгоритма имитационной модели.

5.2.1. Микромодель "Харвестер".

5.2.2. Микромодель "Технология".

5.2.3. Микромодель "Форвардер".

5.2.4. Микромодель "Критерии".

Выводы.

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕСНОЙ ТЕХНИКИ НА ПОЧВУ.

6.1. Цель и задачи исследования.

6.2. Характеристика объектов исследований.

6.3. Характеристика условий эксперимента.

6.4. Порядок проведения и определяемые параметры.

6.5. Результаты эксперимента.

Выводы.

7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ.

7.1. Цель и задачи исследования.

7.2. Характеристика объектов исследований.

7.3. Методика проведения исследований состояния лесного участка.

7.4. Методика оценки результатов.

7.5. Результаты экспериментальных исследований.

7.6. Компьютерное моделирование природно-производственных условий.

7.7. Организация и результаты компьютерного эксперимента.

7.8. Сопоставимость данных натурного и компьютерного экспериментов.

Выводы.

8. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ КОМПЬЮТЕРИЗИРОВАННОЙ

СИСТЕМЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ.

8.1. Создание лесохозяйственной ГИС территории.

8.2. Альтернативные системы машин для рубок ухода.

8.3. Анализ эффективности функционирования систем машин на рубках ухода.

Выводы.

9. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАКТОРА МТЗ-80 В КАЧЕСТВЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МОДУЛЯ ЛЕСНОЙ МАШИНЫ.

9.1. Цель и задачи исследований.

9.2. Характеристика объекта исследований.

9.3. Характеристика условий эксперимента.

9.4. Порядок проведения эксперимента и регистрируемые параметры.

9.5. Измерительная аппаратура.

9.5.1. Общие требования и принципиальная схема.

9.5.2. Измерение крутящих и изгибающих моментов.

9.5.3. Измерение вертикальных и поперечных линейных ускорений.

9.5.4. Измерение числа оборотов ведущих колес.

9.5.5. Измерение угла наклона моторного модуля к горизонту.

9.5.6. Давление в гидравлической системе.

9.6. Градуировка измерительной аппаратуры.

9.7. Оценка точности измерений.

9.8. Методика обработки экспериментальных данных.

9.9. Анализ результатов исследований.

9.9.1. Давление масла в гидравлической системе.

9.9.2. Нагрузочные режимы работы трансмиссии трактора.

9.9.3. Нагрузки на шины, полуоси и рукава заднего моста.

Выводы.

Актуальность темы. Одним из главных направлений лесной политики является развитие рубок ухода. Они позволяют формировать качественные леса к возрасту главной рубки, повышая конечный выход деловой древесины, дают возможность получать древесину для промышленных нужд от промежуточного пользования, способствуют решению глобальной экологической проблемы снижения потребности в проведения рубок на новых лесных площадях.

Масштабное развитие рубок ухода в стране сдерживается техническими возможностями. Решение данной проблемы предполагает как экстенсивный, так и интенсивный пути.

Экстенсивный путь - наращивание номенклатуры и числа машин и оборудования - предполагает оживление деятельности лесного машиностроения, в том числе конверсионного, увеличение импорта, создание новых машин, подобных лучшим зарубежным аналогам. На первом этапе работ в этом направлении целесообразно использовать положительный опыт разработки конструкций специальных лесных машин по модульному принципу на базе колесных сельскохозяйственных тракторов. Создание таких машин требует научного обоснования их основных параметров в соответствии с будущими условиями эксплуатации.

Решение вопроса машинизации за счет простого увеличения числа машин и оборудования является недостаточным шагом. Интенсивный путь предполагает организацию более эффективного использования машин. При этом требуется удовлетворение комплекса требований по производительности, металлоемкости, выполнению намеченной программы рубок. Особое значение должно уделяться экологическому аспекту проведения рубок ухода.

На современном научном уровне решение проблемы машинизации рубок ухода и экстенсивным и интенсивным путями предполагает разработку нового концептуального подхода, неразрывно связанного с вопросами информатизации и компьютеризации лесной отрасли. Суть данного подхода заключается в создании компьютерной системы поддержки принятия решений по выбору и обоснованию машин для проведения рубок в конкретных условиях. Такая система позволяет при учете многообразия природно-производственных факторов и альтернативном наборе машин осуществлять оптимальный подбор машин из числа существующих. При отсутствии необходимого варианта выбора система позволяет проводить обоснование основных параметров вновь проектируемых машин и оборудования.

Создание подобной компьютерной системы поддержки принятия решений в области обоснования лесных технологий и машин соответствует требованиям программ информатизации лесного хозяйства на 1998-2001 годы, внедрения ГИС-технологий в лесном хозяйстве на 1999-2005 годы, принятых Рослесхозом, и целевой федеральной программе «Леса России» 1997-2000.

Цель работы. Повышение эффективности применения машинизированных технологий и соответствующих систем машин для рубок ухода за лесом при обеспечении экологической совместимости с природной средой на основе компьютерной поддержки принятия решений.

Задачи исследований. Исходя из актуальности проблемы и цели работы, задачи исследований формулируются следующим образом:

• на основе анализа современного состояния мирового уровня развития лесного хозяйства, лесозаготовок и лесного машиностроения установить перспективные технические средства решения проблемы машинизации рубок ухода за лесом с учетом их экологического значения и исследовать причины, характер и экологические последствия повреждаемости деревьев и лесных почв от воздействия лесной техники при рубках ухода;

• разработать новую концепцию выбора систем машин для рубок ухода, отражающую разнообразие природно-производственных условий, экологический фактор и альтернативность выбора машин, на основе V 8 современных компьютерных технологий и системного подхода, включающего модель природной среды, электронные базы данных по машинам и оборудованию, имитационную модель рубок ухода;

• разработать компьютерные базы данных по машинам и оборудованию для рассматриваемых видов рубок и установить зависимости между их основными параметрами; создать базы данных по природно-производственным условиям на основе использования ГИС-технологий и провести компьютерное генерирование типовых модельных лесосек;

• разработать компьютерные модели для исследования воздействия ходовых систем на лесные почвы, отражающие специфику лесных почв (наличие корней и камней);

• провести комплекс экспериментальных исследований по воздействию машин на лесную среду (почвы, оставляемый древостой), оценить адекватность разработанных компьютерных моделей;

• экспериментально обосновать возможность использования серийного колесного сельскохозяйственного трактора Минского тракторного завода в качестве энергетического модуля лесных машин для рубок ухода и дать рекомендации по совершенствованию конструкции семейства модульных машин на базе этих тракторов с целью повышения их эксплуатационных показателей и экологической совместимости с природной средой;

• разработать практические рекомендации по выбору систем машин для рубок ухода для типовых условий Республики Карелия.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований являлись древостой северных лесов Восточной Фенноскандии, технологии рубок ухода (прореживание и проходные рубки), системы машин для сортиментной заготовки леса: харвестеры (валочно-сучкорезно-раскряжевочные машины) и форвардеры (сортиментовозы).

Решение поставленных задач осуществлялось с использованием методов математической статистики, метода конечных элементов, имитационного моделирования, исследования операций, ГИС-технологий, инвентаризации пробных площадей лесных участков, натурных экспериментальных исследований, тензометрирования. Научная новизна работы.

• Разработана новая концепция выбора и обоснования машин для проведения рубок ухода, отличающаяся системным подходом, учетом многообразия природно-производственных условий эксплуатации и альтернатив выбора машин при приоритете экологического фактора, базирующаяся на новых компьютерных и информационных технологиях.

• Созданы компьютерные базы данных по машинам и оборудованию для сортиментной заготовки леса (харвестеры, форвардеры, манипуляторы, рабочие органы). Установлены зависимости между основными параметрами машин, позволяющие на уровне предварительного проектирования проводить обоснование основных концептуальных характеристик вновь создаваемой техники.

• Созданы банки данных природно-производственных условий и разработаны модели типовых модельных территорий лесов Фенноскандии на основе использования ГИС-технологий.

• Разработана математическая модель взаимодействия ходовых элементов машин с лесной почвой на основе использования метода конечных элементов, отличающаяся учетом упруго-пластических свойств почвы с наличием корней и камней в почвенном массиве и позволяющая исследовать влияние числа проходов машин, наличие камней, порубочных остатков на волоке на изменение условий функционирования корневых систем деревьев.

• Разработана имитационная компьютерная модель технологического процесса рубки ухода за лесом с применением харвестера и форвардера, учитывающая в качестве основного показателя функционирования экологическую совместимость машин с природной средой (повреждаемость оставляемого древостоя и почвы).

• Проведены экспериментальные исследования экологической совместимости различных типов лесных машин с природной средой, включающие сравнительную оценку воздействия машин на оставляемый на доращивание древостой и почву по комплексу её важнейших характеристик (плотности, твердости, пористости, глубине колеи).

• Впервые экспериментально обоснована возможность использования сельскохозяйственного трактора МТЗ-80 в качестве энергетического модуля семейства лесных колесных машин для рубок ухода.

Значимость для теории и практики. Разработана новая концепция выбора и обоснования машин для проведения рубок ухода. Совокупность предложенных компьютерных моделей и поддерживающих их функционирование информационных баз данных составляют основу системы принятия решений по обоснованию машин и оборудования для машинизации рубок ухода за лесом с учетом экологического фактора. Предложенные модели значительно обогащают теорию экологической совместимости машин с лесной средой за счет использования новейших компьютерных технологий, в том числе ГИС, метода конечных элементов и других.

Разработанная система принятия решений внедрена на предприятиях АК «Кареллеспром» и в Государственном комитете по лесу Республики Карелия.

Созданные компьютерные базы данных по лесозаготовительной технике имеют большое самостоятельное справочно-информационное значение и использованы в ряде организаций и предприятий отрасли (Государственный научный центр ЛПК при Минэкономики Российской Федерации, ОАО «Онежский тракторный завод»).

Результаты работы использованы при создании КарНИИЛПом системы колесных машин (харвестер и форвардер) для рубок промежуточного пользования. Экспериментальные образцы машин изготовлены и испытаны в производственных условиях. Опытные образцы машин были выпущены на Радомышльском машиностроительном и Петрозаводском ремонтно-механическом заводах. С 1995 года начато серийное производство форвардеров ЛТ-189М на заводе АО «Дормаш» (г. Орел).

Основные положения, выносимые на защиту:

• концепция решения проблемы выбора и обоснования машин для проведения рубок ухода на основе системного подхода, приоритетного учета экологического фактора проведения рубок ухода, использования современных компьютерных и информационных технологий;

• возможность исследования процессов взаимодействия ходовых систем машин с лесной почвой с использованием конечно-элементных компьютерных моделей;

• возможность исследования технологических процессов машинизированной заготовки леса на рубках ухода с использованием имитационных моделей при приоритете экологического фактора (минимизация повреждаемости древостоя, корневых систем и почвы);

• компьютерные базы данных машин и технологического оборудования для машинизации рубок ухода и полученные зависимости между их основными параметрами;

• возможность моделирования природно-производственных условий на основе использования ГИС-технологий;

• методики и результаты экспериментальных исследований по оценке воздействия лесных машин на природную среду (древостой и лесную почву);

• результаты экспериментального обоснования возможности использования трактора МТЗ-80 в качестве энергетического модуля лесных машин для рубок ухода и рекомендации по совершенствованию конструкций семейства таких машин;

• рекомендации по применению систем машин на рубках ухода в Республике Карелия.

Обоснованность и достоверность результатов исследований.

Достоверность результатов исследований подтверждается данными натурных экспериментов и положительным опытом внедрения разработок в практическую деятельность.

Реализация работы. Основные результаты работы внедрены в Карельском НИИ лесной промышленности при создании системы машин для рубок ухода, АК «Кареллеспром», Государственном комитете по лесу Республики Карелия, в Государственном научном центре ЛПК при Минэкономики РФ, на ОАО «Онежский тракторный завод», в учебном процессе кафедры тяговых машин Петрозаводского государственного университета.

Результаты исследований использованы при выполнении международных проектов Taiga-Model Forest (Россия-Финляндия, 1997-2000 г.г.), Tempus Tacis TJEP 10347-97 Development of the Environmental and Economics Studies (Россия-Финляндия-Швеция, 1997-2000 г.г.) и отечественного гранта «Разработка научных основ обоснования оптимального технологического процесса освоения лесных массивов при несплошных рубках» (№ госрегистрации 01.9.80000297.,1997) и включены в соответствующие отчеты.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены:

• на международных конференциях и семинарах: «Лес, окружающая среда и новые технологии в Северной Европе» (г. Йоэнсуу, Финляндия, - г. Петрозаводск, Россия, 1994), «Проблемы развития лесного комплекса Северо-западного региона» (г. Петрозаводск, 14-17 октября 1996), «Тайга. Возможности и ресурсы» (г. Хямеенлинна, Финляндия, 10-12 февраля 1998 г.), «Проблемы развития лесного сектора» (г. Петрозаводск, 18-19 ноября 1998), «Семинар Скандинавской Ассоциации лесной экономики» (г. Умеа, Швеция, июнь 1998), «Устойчивое лесопользование» (г. Каргополь, Архангельская обл., 20-24 сентября 1999), «Модельные леса в России: опыт и перспективы будущего» (г. Петрозаводск, 22-24 июня 1999), «Биологические основы изучения, освоения и охраны животного и растительного мира, почвенного покрова Восточной Фенноскандии» (международная конференция и выездная сессия отделения Общей биологии РАН: г. Петрозаводск: Институт биологии Карельского НЦ РАН, 6-10 сентября 1999), «Научно-технический прогресс в лесном комплексе» (г. Сыктывкар, 18-20 апреля 2000).

• на различных региональных и республиканских конференциях 1983-2000 г.г., в том числе «Региональные проблемы развития лесного комплекса» (г. Петрозаводск, 1998), «Ресурсосберегающие технологии лесного комплекса» (г. Петрозаводск, 1998), «Научное обеспечение лесного комплекса Карелии» (г. Петрозаводск, 1999).

• демонстрировались на Всероссийской выставке «Российский лес-99» в г. Вологда.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 54 печатных работах, в том числе двух монографиях. Пять работ опубликовано в зарубежных изданиях (Канада, Швеция, Финляндия). Получено два авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 397 е., в том числе 250 с. машинописного текста, 156 рисунков, 32 таблицы, приложения. Список использованных источников включает 304 наименования.

Выводы

1. В исследованных природно-производственных условиях Восточной Фен-носкандии по основным концептуальным параметрам рассмотренных систем машин оптимальными для машинизации рубок ухода являются машины, представленные в табл. 8.9.