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

На правах рукописи

/ і-

Суханов Юрий Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СИСТЕМЫ ЛЕСОСЕЧНЫХ МАШИН ДЛЯ РУБОК УХОДА С УЧЕТОМ БИОЭНЕРГЕТИКИ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Петрозаводск 2013 005540732

005540732

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петрозаводский государственный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Соколов Антон Павлович,

кандидат технических наук, доцент

Васильев Сергей Борисович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих производств ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет»

Теппоев Алексей Викторович,

кандидат технических наук доцент, доцент кафедры технологии лесозаготовительных производств ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова»

ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Защита состоится 19 декабря 2013 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.03. в Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета.

Автореферат разослан «18» ноября 2013 г. Ученый секретарь /

диссертационного совета Воронов Роман Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Россия, имея самые большие в мире лесные ресурсы, обладает огромным потенциалом в области лесной биоэнергетики. Перспективными направлениями являются как развитие внутреннего потребления древесного биотоплива для выработки тепла и электроэнергии, так и экспорт древесного биотоплива за границу. Развитие биоэнергетики может создать новые рабочие места, улучшить экологическую обстановку, сделать удаленные лесные регионы менее зависимыми от привозных ископаемых источников энергии.

По мере развития биоэнергетики будет вставать вопрос о дополнительных источниках сырья для производства древесного топлива. Одним из таких источников сырья необходимо рассматривать древесину, получаемую при проведении рубок ухода.

В настоящее время опыт применения современных систем машин для производства древесного биотоплива из древесной биомассы от рубок ухода в России достаточно скуден.

Большой интерес представляет зарубежный опыт, прежде всего стран Скандинавии, где производство энергии из древесины уже сегодня играет существенную роль в жизни общества. Но следует принять во внимание, что отличия природно-производственных и экономических условий не позволяют использовать накопленный опыт зарубежных стран в области лесной биоэнергетики напрямую в России, без соответствующей адаптации.

Задача рационального выбора технологической цепочки и системы машин для проведения рубок ухода с производством энергетической щепы из заготовленной биомассы является сложной и многофакторной. Помочь в решении этой задачи может компьютерная система поддержки принятия решений, которая, за счет возможности моделирования различных сценариев и обработки большого массива данных, позволяет подобрать рациональное решение. Такая система помогает отбросить заведомо проигрышные варианты и выделить наиболее удачные. Варьируя исходными данными, пользователь системы может определить границы применения той или иной технологии.

Степень разработанности темы

Проблемы рационального выбора систем лесосечных машин для рубок ухода достаточно полно освещены в работах С. А. Черепухина, В. М. Захарикова, Н. К. Климушева, В. И. Солдатенкова, Ю. Ю. Герасимова, В. С. Сюнева, С. А. Кильпеляйнена, Г. А. Давыдкова, С. Н. Перско-го, Ю. А. Ширнина, О. Р. Чайки и др. В основе разработанных этими авторами систем принятия решения находятся имитационные модели

работы лесосечных машин на модельных делянках и использована теория игр.

В работах И. Р. Шегельмана, Э. Ф. Герца, О. Н. Галактионова проведена научная оценка ресурсного потенциала древесной биомассы, получаемой в процессе лесозаготовок.

Эту древесную биомассу предлагается использовать в качестве сырья для котельных, работающих на древесном топливе.

В работах С. Б. Васильева, В. И. Патякина, И. Р. Шегельмана, К. В. Полежаева обоснованы параметры и методики выбора рубительных машин для производства топливной щепы из древесной биомассы.

Проведение рубок ухода нацелено на выполнение основной задачи — получение качественной деловой древесины ко времени сплошнолесо-сечной рубки спелого древостоя, но не менее важной задачей в настоящее время является заготовка энергетической древесины.

Однако, существующие модели и алгоритмы принятия решений по обоснованию выбора системы машин для рубок ухода, к сожалению, не позволяют учитывать сложившееся к настоящему моменту изменение технологических процессов лесозаготовок, обусловленное развитием биоэнергетики.

Целью работы является повышение эффективности проведения рубок ухода с заготовкой древесной биомассы для производства топливной щепы за счет рационального выбора системы машин и технологий с использованием компьютерной системы принятия решения.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие основные задачи:

1. Разработать алгоритм выбора систем машин для рубок ухода с учетом возможностей биоэнергетики, которые могли бы позволить, учитывая состав древостоя, природно-климатические и производственные условия, а также рельеф местности, получить максимально возможный лесохозяйственный и экономический эффект.

2. Создание программного комплекса, состоящего из модели древостоя и окружающей среды, имитационной модели проведения рубки ухода с производством топливной щепы, учитывающей повреждения деревьев и почвы, моделей расчета экономической эффективности и лесохозяйственных критериев проведения рубок с помощью альтернативных технологий и лесозаготовительных машин.

3. Разработка рекомендаций для выбора рациональной системы машин и технологии для заготовки топливной щепы от рубок ухода для типовых условий Республики Карелия.

Научная новизна

Предложена методика, позволяющая осуществлять выбор технологических решений по организации заготовки деловой древесины

и энергетической древесины для производства топливной щепы путем проведения имитационных экспериментов с помощью разработанного комплекса компьютерных программ.

Разработаны алгоритмы, позволяющие учитывать особенности работы лесосечных машин с учетом технологий заготовки энергетической древесины при рубках ухода.

Разработаны имитационные модели лесосечных машин, позволяющие проводить компьютерные эксперименты и выявлять рациональную технологию и систему машин для конкретных природно-производственных условий.

Даны практические рекомендации по выбору технологий и систем машин для типовых природно-производственных условий Республики Карелия.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическую значимость имеют разработанные методы и модели расчета производительности лесосечных машин и объемов лесопро-дукции, позволяющие подобрать систему машин для проведения рубок ухода с учетом заготовки топлива для биоэнергетики.

Результаты работы позволяют проводить имитационные эксперименты над лесосечными машинами в различных природно-производственных условиях и подбирать рациональную технологию заготовки деловой и топливной древесины.

Методология и методы исследования

Для решения поставленной задачи были использованы методы имитационного моделирования и математической статистики. В процессе решения поставленных задач и обработки результатов экспериментов применялись программный пакет Мар1п6э, электронные таблицы и программное обеспечение, созданное на языках С++ и МарВавк. Положения, выносимые на защиту

1. Методика, позволяющая рационально выбрать технологию и систему лесосечных машин для заготовки деловой и топливной древесины от рубок ухода для различных природно-производственных условий.

2. Результаты имитационного моделирования по выбору технологии и лесозаготовительных машин для рубок ухода с учетом потребностей биоэнергетики, учитывающие следующие оценочные показатели: производительность системы (и машин в ней), затраты на осуществление рубок, прибыль от реализации древесины рубок ухода, качество выполнения работы и минимальный урон оставляемому на доращивание древостою.

3. Рекомендации по рациональному подбору технологий и систем леео-сечных машин для типовых природно-климатических условий Республики Карелия.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность результатов работы обеспечена применением методов имитационного моделирования и математической статистики, данными экспериментальных исследований и хронометража времени выполнения операций машинами в полевых условиях, а также подтвержденной адекватностью полученных моделей за счет сходимости экспериментальных данных и данных имитационного моделирования.

Материалы работы докладывались и обсуждались на пяти конференциях и семинарах:

Третья республиканская научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов, докторантов «Повышение эффективности лесного комплекса Республики Карелия». ПетрГУ. Петрозаводск, 23 апреля 2012; Международная научно-техническая конференция «Наука и образование для лесопромышленного комплекса России». Московский государственный университет леса. Мытищи, 30 января — 02 февраля 2012; Международная научно-техническая конференция «Опыт лесопользования в условиях Северо-Запада РФ и Фенноскандии». ПетрГУ. Петрозаводск, 20—22 сентября 2011; Семинар по международному проекту «Лесозаготовки и логистика в России» (TEKES). НИИ леса Финляндии «METLA». Йоэнсуу (Финляндия). 07—09 декабря 2011; Семинар на базе предприятия ООО «Метсалиитто Подпорожье». В рамках международного проекта «Intensification of forest management and improvement of wood harvesting in Northwest Russia». г. Подпорожье (Ленинградская область). 30 сентября 2010; а также на научных семинарах кафедр тяговых машин и технологии и оборудования лесного комплекса Петрозаводского государственного университета. Публикации

Основное содержание работы представлено в 39 публикациях, в том числе 10 статьях в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, получено 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 221 страница, 60 рисунков, 65 таблиц. Список использованных источников включает 122 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и методы исследований, научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены место рубок ухода в системе лесоэксплуатации и основные задачи ухода за лесом, а также виды рубок ухода.

В современных условиях древесина от рубок ухода может рассматриваться как сырье для производства топливной щепы. Особый интерес представляют прореживания и проходные рубки ухода, так как они проще машинизируются, а также при проведении поздних прореживаний и проходных рубок возможно получить в небольшом количестве деловые сортименты, что положительно сказывается на рентабельности этих видов рубок ухода.

Проведен анализ существующих технологий и машин для проведения рубок ухода. Рассмотрены классификации существующих технологий заготовки и предварительно выявлены предпочтительные технологии для прореживаний и проходных рубок ухода. Описаны технологии заготовки тонкомерных деревьев, сортиментов и щепы, а также рассмотрены технологии с применением пакетирующих машин.

Отдельный подраздел посвящен воздействию лесозаготовительных машин на оставляемый на доращивание древостой и лесную среду. Показана необходимость учета числа поврежденных деревьев, а также отрицательного воздействия колееобразования и уплотнения почво-грунта в моделях работы машин.

Поставлена проблема рационального выбора технологий и машин для рубок ухода с учетом биоэнергетики, проведен анализ состояния вопроса и обзор научных работ, обоснована необходимость создания новых моделей, которые учитывали бы особенности получения топливной щепы из древесины от рубок ухода, а также позволяли моделировать такие лесные машины, как пакетирующие и мобильные рубительные.

Исходя из анализа состояния вопроса и цели работы, сформулированы задачи исследования.

Вторая глава содержит оценку потенциала энергии древесной биомассы от рубок ухода применительно к Республике Карелия. Проанализированы и учтены основные источники сырья для лесной биоэнергетики, особенности лесного фонда Республики Карелия. Описано текущее положение с проведением рубок ухода за лесом в Республике Карелия. Показана необходимость и целесообразность повышения объемов рубок ухода. Рассмотрен потенциальный объем энергии из топливной щепы, получаемой при условии полного выполнения плана

по рубкам ухода (таблица 1), который покрывает 8,4% потребностей коммунальной энергетики в топливно-энергетических ресурсах. Таблица 1 — Расчет потенциала энергии топливной щепы от рубок ухода

Вид рубок ухода ^био_масса_доп, ПЛ" Е, МВТ'Ч ТУТ* ТОЕ*

Прочистки 86439,3 108471,9 11455,5 6994,8

Прореживания 191998,4 276404,7 29190,6 17824

Проходные 229515,8 330415,5 34894,5 21306,8

Итого 507953,5 715292,2 75540,6 46125,6

* — с учетом разницы КПД тепловых установок

В третьей главе рассмотрены основные критерии по которым оцениваются рассматриваемые технологии и системы машин, структура системы, а также методы и средства, с помощью которых решается поставленная задача.

Выбраны следующие два критерия:

• рентабельность проведения рубок ухода с учетом реализации деловых сортиментов и древесного топлива;

• влияние машин на оставляемый на доращивание древостой и лесную среду (почво-грунт).

При определении методов и средств для создания системы поддержки принятия решений по рациональному выбору технологий и системы машин для проведения рубок ухода с учетом биоэнергетики необходимо рассматривать сложность и многофакторность задачи, а также то, что довольно значительный объем исходных данных носит пространственный характер. Эффективное решение поставленной задачи возможно при использовании имитационного моделирования. При разработке модели делянки использовался язык MapBasic из пакета программного обеспечения ГИС Mapinfo Professional, позволяющий работать с ГИС-картами. В случае, когда требовалось реализовывать алгоритмы в которых отсутствует необходимость работы с пространственно распределенными данными, использовался язык С++, позволяющий получить значительно более высокое быстродействие программы.

Рассмотрена структура разработанной системы. Система состоит (рисунок 1) из следующих частей: модель делянки и окружающей среды, имитационные модели работы лесных машин и программа, обрабатывающая данные моделей и рассчитывающая операции переработки древесной биомассы в щепу на погрузочной площадке и транспортировки древесной биомассы или готовой топливной щепы с помощью автотранспорта до потребителя.

Информация о делянке ГИС (формат Maplnfo)

Программа на МарВаБк: Программа на С++:

- получение информации о характеристиках древостоя и рельефа из базы данных, связанных с картой; - взаимодействие с пользователем. =4> £2 - моделирование горизонтальной структуры древостоя; - моделирование вертикальной структуры древостоя; - моделирование климатических условий и рельефа местности.

Программа на С++:

Имитационное моделирование работы харвестера, i режиме ВПМ, харвардера, машины-комбайна.

ю

Программа на С++:

Имитационное моделирование работы форвардера на трелевке сортаментов, тонкомерных деревьев, пакетов. Имитационное моделирование пакетирующей машины. Имитационное моделирование мобильной рубительной машины.

ю

Программа на С++:

Сбор данных из имитационных моделей, моделирование работы рубительной машины на погрузочной площадке, моделировние транспортировки лесопродукции до потребителя автомобильным транспортом- расчет экономических показателей._

_ю

Результаты моделирования экспортируются в таблицы формата DBF (dbase), которые в дальнейшем могут быть обработаны в электронных таблицах (Excel, OpenOffice Сак и т.д.)

Рисунок 1 - Структура разработанной системы

Разделение системы на несколько частей упрощает создание имитационных моделей и делает систему более гибкой и расширяемой.

Далее рассмотрена методика расчета производственных затрат и производительности различных лесных машин. Затраты на эксплуатацию лесозаготовительной техники делились на условно-постоянные и переменные. К условно-постоянным затратам относились: процент с капитала и амортизация, все виды страховок, административные и общехозяйственные расходы. Переменные (прямые) затраты включали в себя расходы назарплату и социальные выплаты, затраты на горюче-смазочные материалы, затраты на ремонт и техническое обслуживание лесозаготовительной машины, расходные материалы. Часовая производительность

машин заметноотличаетсявзависимостиотприродно-производственных условий: горизонтальной и вертикальной структуры древостоя, рельефа, почвенно-грунтовых, климатических и других условий. В работе приведены формулы, используемые в моделях машин.

В главе приведено описание методики расчета повреждений оставляемым на доращивание деревьям и лесной среде при выполнении рубок ухода. Для оценки отрицательного воздействия считается сколько и каких повреждений получило каждое дерево. Учитывается следующее: перерезание корневой системы в колее, нарезаемой движителем машины; удары об ствол дерева при операциях валки, первичной обработки и трелевке; удары о крону дерева. Отмечается при какой операции произошло повреждение и что конкретно нанесло повреждение: движитель машины, манипулятор и технологическое оборудование, пачка сортиментов или сваленное дерево при валке или первичной обработке. Повреждения суммируются и на основании их количества можно определить число поврежденных деревьев и характеристики повреждений.

Среди показателей воздействия лесозаготовительной техники на почво-грунт волоков (технологических коридоров) рассчитывается число проходов по волоку, колееобразование и уплотнение грунта.

Четвертая глава работы посвящена описанию алгоритмов генерации модельной делянки и алгоритмов разработанных имитационных моделей лесосечных машин.

Модельная делянка формируется на основе генерации горизонтальной и вертикальной структуры древостоя, а также климатических и грунтовых условий.

Показана возможность моделирования делянки с использованием лесохозяйственных карт формата Мар1пйз. При этом пользователь системы выбирает выдела в окне карты, ограничивает делянку и, если нет волоков, то прокладывает их, а система считывает часть исходных данных из базы данных, где содержатся основные характеристики по выделам.

Моделирование возможно для четырех пород деревьев (сосна, ель, береза, осина) с учетом вертикальной и горизонтальной структуры древостоя. Для выявления типа пространственной структуры древостоя используется «Индекс рассеяния» Фишера, который основан на равенстве математического ожидания и дисперсии при пуассоновском распределении учетных площадок по количеству расположенных на них деревьев.

Рельеф местности определяет величины уклонов волоков в продольном и поперечном направлениях, что в свою очередь определяет наклон технологического оборудования, крен лесной машины.

В зависимости от месяца проведения работ проводится моделирование климатических условий (температура и скорость ветра).

Также, в зависимости от месяца проведения работ, происходит моделирование почвенно-грунтовых условий. В зимнее время моделируются высота и плотность снежного покрова с учетом особенностей образования снежного покрова под пологом леса. В остальное время моделируется влажность грунта, которая зависит от месяца моделирования, количества осадков в текущий и предыдущие месяцы, и от просыхания под воздействием плюсовых температур окружающего воздуха.

Далее в главе приведены базовые алгоритмы, применяемые для моделирования работы различных лесозаготовительных машин, а также рассмотрены особенности для каждого типа машины. Описаны алгоритмы передвижения, определения координат технологических остановок, а также алгоритмы обработки и трелевки/транспортировки, включая особенности алгоритмов движения машин с колесным и гусеничным типом движителя. Рассмотрены особенности работы следующих типов машин: харвестеры (в том числе работающие в режиме ВПМ), машины, оснащенные валочными головками (харвардеры и комби-машины), форвардеры (на различных типах работ), пакетирующие машины, мобильные рубительные машины, работающие на делянке. В конце главы приводятся особенности реализации вышеописанных алгоритмов на языках программирования и режимы работы комплекса разработанных программ (рисунок 2).

я——да——и——и———

Рисунок 2 - Пример визуализации хода моделирования работы харвестера (а) и форвардера (6); получение информации о повреждении деревьев (в) и числе проходов по волоку (г)

Пятая глава содержит описание проведенных компьютерных экспериментов и результаты проверки разработанных моделей на адекватность.

В главе приведены данные о хронометражных измерениях работы лесосечных машин, проведенных с участием автора в реальных производственных условиях. Целью хронометражных измерений было определить время, затрачиваемое различными типами машин на каждую операцию. Хронометражным измерениям подвергались харвестеры с колесным и гусеничным типом движителя, форвардеры и передвижная рубитель-ная машина с приводом от ВОМ сельскохозяйственного трактора.

В главе описаны проведенные серии компьютерных экспериментов. Первая серия экспериментов была проведена с моделями марок машин за которыми проводились хронометражные измерения. Вторая серия включала в себя моделирование работы машин в условиях Подпорож-ского лесничества и результаты сравнивались с реальными показателями лесозаготовительных машин.

Далее в главе описаны проведенные серии экспериментов, позволяющих оценить производительность лесозаготовительных машин при проведении рубок ухода разной интенсивности (рисунок 3,4), а также выявить зависимость производительности от вылета манипулятора харвестера и наличия аккумулирующего устройства (накопителя стволов).

Шестая глава посвящена выбору систем машин для рубок ухода, позволяющих производить заготовку деревьев в сортиментах и целыми деревьями. В начале главы рассмотрен потенциальный выход деловых сортиментов при рубках ухода в хвойных насаждениях разного возраста и бонитета и сделан вывод о границах целесообразного применения сортиментного способа заготовки (таблица 2). Технологию заготовки деревьями можно использовать при прочистках, при ранних прореживаниях в древостоях с низким бонитетом и в более продуктивных дре-востоях, если тонкомерные деловые сортименты сложно реализовать.

Таблица 2 — Образование деловых сортиментов по классам крупности при рубках ухода низовым методом при интенсивности 30% по запасу

Порода Деловые сортименты Бонитет и возраст древостоя

Сосна Тонкомерные сортименты IV бонитет, начиная с 40 летнего возраста

Пиловочные сортименты IV бонитет, после 60 лет

III бонитет, начиная с 60 лет

II бонитет, начиная с 50 лет

Ель Тонкомерные сортименты IV бонитет, начиная с 40 летнего возраста

Пиловочные сортименты IV бонитет, начиная с 60 лет

III бонитет, после 50 лет

1) бонитет, начиная с 50 лет

м /час

Интенсивность по запасу _ %

б)

-•-Среднее число касаний ствола оставляемых 1.7 1.6 1.5

.без накопителя с накопителем

-•-Производительность, м'/час

Интенсивность по запасу.

Интенсивность по запасу, %

Интенсивность по запасу,%

в) г) Д)

Рисунок 3 - Рубки ухода разной интенсивности (ЮС, 50 лет, средний Ухл до ухода 0,06 м3): а - производительность харвестера; б - зависимость числа деревьев, недоступных с волока, в зависимости от вылета манипулятора; в - влияние интенсивности на повреждения деревьев; г - производительность харвестера, оснащенного харвестерной головкой с накопителем; д - производительность форвардера

«.Производительность, м'/час

Интенсивность по запасу, %

Интенсивность по запасу, %

а)

в)

Рисунок 4 - Рубки ухода разной интенсивности (10С, 70 лет, средний V до ухода 0,2 м3):

я - производительность харвестера; б - зависимость числа деревьев, недоступных с волока, в зависимости от вылета манипулятора; в - производительность форвардера

Интенсивность по запасу. %

Далее в главе приведены описания имитационных экспериментов с системами машин, которые предназначены для заготовки древесины по со-ртиментной технологии. Рассматривались следующие системы машин:

1. харвестер, форвардер (деловые и дровяные сортименты), автомобиль-лесовоз, рубительная машина у потребителя;

2. харвестер, форвардер (деловые сортименты), мобильная рубительная машина, автощеповоз;

3. харвестер, форвардер (деловые сортименты), пакетирующая машина, форвардер (пакеты энергетической древесины), автомобиль-лесовоз, рубительная машина у потребителя.

В качестве образцов машин для моделирования выступали следующие лесосечные машины: колесный харвестер легкого класса John Deere 770D (с харвестерными головками без накопителя стволов и с накопителем стволов), форвардер легкого класса John Deere 810D, пекетирующая машина John Deere 1490D, мобильная рубительная машина Амкодор 2902.

Модели позволяют рассчитать время, затрачиваемое каждой машиной в цепочке и рассчитать затраты на работу машин (рисунок 5).

Затраты, руб/га 45000

40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000

Рубка щепы у потребителя

I Вывозка щепы (50 км)

Вывозка пакетов (50 км)

I Вывозка сортиментов (50 км)

Рубка щепы на погрузочной площадке

■ Форвардер на трелевке пакетов

«Мобильная рубительная машина

Пакетирующая машина

■ Форвардер «Харвестер

Рисунок 5 — Затраты на проведение рубок ухода (руб/га): А — харвестер, форвардер, рубительная машина на погрузочной площадке, вывозка сортиментов, вывозка щепы; Б — харвестер, форвардер, вывозка сортиментов до потребителя, рубительная машина у потребителя; В — харвестер, оснащенный головкой с накопителем стволов, форвардер, рубительная машина на погрузочной площадке, вывозка сортиментов, вывозка щепы; Г — харвестер, форвардер на трелевке деловых сортиментов, пакетирующая машина, форвардер на трелевке пакетов, вывозка пакетов; Д — харвестер, форвардер, мобильная рубительная машина на делянке, вывозка сортиментов, вывозка щепы

Также после моделирования доступна информация о повреждениях древостоя, числе проходов лесосечных машин по волоку (таблица 3) Таблица 3 — Воздействие систем машин на оставляемые деревья и волок

Параметр Древостой 60 лет, 111 бонитет, преобладающая порода Харвестер и форвардер Харвестер, форвардер, пакетирующая машина Харвестер, форвардер, рубительная машина

Среднее число касаний стволов и крон в процессе работы Сосна 1.1 /3,1 1.3/3,1 1,2/3,1

Ель 1,4/4,76 1,6/4,8 1,5/4,79

Среднее число проходов по волоку и максимальное число проходов Сосна 3,4/8 5,8/11 5,3/12

Ель 3,5/10 5,1/10 4,2/11

В конце главы были рассмотрены машины для проведения рубок ухода с заготовкой тонкомерными деревьями. Рассматривались следующие системы машин:

1. харвестер в режиме ВПМ, форвардер на трелевке тонкомерных деревьев, рубительная машина на погрузочной площадке, автощеповоз;

2. харвестер в режиме ВПМ, пакетирующая машина, форвардер на трелевке пакетов, автомобиль-лесовоз, рубительная машина у потребителя;

3. харвестер в режиме ВПМ, мобильная рубительная машина, автощеповоз.

При оснащении харвестера валочной головкой с накопителем производительность машины повышается на 8%. Наибольшую эффективность показала система машин, включающая мобильную рубительную машину.

Данные о повреждениях оставляемого на доращивание древостоя и о числе проходов по волоку при применении систем машин, позволяющих производить заготовку тонкомерными деревьями, приведены в таблице 4.

Таблица 4 — Воздействие систем машин на оставляемые деревья и волок

Параметр Древостой 40 лет, IV бонитет, преобладающая порода Харвестер и форвардер Харвестер, п а кети рующа я машина, форвардер Харвестер, рубительная машина

Среднее число касаний стволов и крон в процессе работы Сосна 1,33 /2,23 1,46/2,24 1,29/2,23

Среднее число проходов по волоку и максимальное число проходов Сосна 3,3/5 5,6/7 3,6/7

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Показано, что для Республики Карелия, при условии выполнения всего объема рубок ухода, установленного Лесным планом Республики Карелия и лесохозяйственными регламентами, за счет использования энергетической древесины от рубок ухода можно обеспечить до 8,4% потребностей коммунальной энергетики республики в топливно-энергетических ресурсах.

2. Поскольку в Республике Карелия значительные площади занимают хвойные древостой III и IV бонитетов (16% и 48%, соответственно, учитывая молодняки, средневозрастные и приспевающие), при машинизации рубок ухода с учетом биоэнергетики целесообразно использование двух технологий лесозаготовок:

• заготовка древесины целыми тонкомерными деревьями с использованием валочно-пакетирующей машины (работа харвестера в режиме ВПМ) и форвардера, трелюющего древесину на погрузочную площадку, где она перерабатывается рубительной машиной в щепу. Альтернативой выступают системы машин, где вместе с валочно-пакетирующей машиной работает мобильная рубительная машина с контейнером, непосредственно передвигающаяся по делянке (например, Амкодор 2902, Logset Chipset CS440) или пакетирующая машина (например, John Deere 1490D, WoodPac Enfo 2000), позволяющая формировать из тонкомерных деревьев тюки, которые впоследствии вывозятся на погрузочную площадку форвардером;

• заготовка древесины в сортиментах с использованием комплекса машин харвестер+форвардер и передвижной рубительной машины у лесовозной дороги или на площадке потребителя. В последнем случае энергетическая древесина вывозится с погрузочной площадки в виде круглых лесоматериалов автомобилями-лесовозами. В качестве альтернативы в работе рассмотрены системы машин, в которых деловые сортименты трелюются форвардером, а оставшаяся биомасса в виде дровяных сортиментов собирается мобильной рубительной машиной или пакетирующей машиной, которая обвязывает биомассу в тюки, с дальнейшей трелевкой тюков форвардером.

3. Разработанные модели позволяют подобрать технологию лесозаготовки и систему машин из предлагаемых альтернативных вариантов под конкретные природно-производственные условия и дать рекомендации по повышению производительности на рубках ухода. Модели реализованы в виде программ для ЭВМ, получено свидетельство о регистрации в Реестре программ № 2012615490.

4. На основании проведенных имитационных экспериментов установлено, что для рубок ухода в природно-производственных условиях Республики Карелия, с учетом потребностей биоэнергетики, необходимо

применять манипулятор харвестера с вылетом не менее 10 м (например, Logman 801, Sampo Rosenlew 1066, John Deere 1070D). Это не только позволит заготовить все намеченные в рубку деревья без съезда с волока, но и увеличит производительность машины. Так, изменение вылета манипулятора на харвестере John Deere 770D со стандартного 9,2 м на 10 м позволяет в шестидесятилетних хвойных древостоях, при интенсивности рубки 35%, увеличить количество доступных без съезда с волока деревьев на 5% и увеличить производительность машины на 2%. При проведении прореживаний рекомендуется на манипулятор навешивать харвестер-ную головку с накопителем столов (например, Н412 и AFM45 могут быть оснащены накопителем), что, по расчетам, позволяет увеличить производительность машины на 32%.

5. Среди рассмотренных систем машин для сортиментной заготовки леса при проведении рубок ухода с учетом заготовки биоэнергетической древесины, наиболее эффективной оказалась система, состоящая из харвестера, оснащенного харвестерной головкой с накопителем, и форвардера (затраты на проведение рубки ухода с учетом биоэнергетики меньше на 5-15%). Вывозка энергетической древесины в виде круглых лесоматериалов с последующей переработкой в щепу на площадке у потребителя экономически выгоднее на 40-50%, чем вывозка готовой щепы с погрузочной площадки у лесовозной дороги.

6. При рассмотрении систем машин для рубок ухода с точки зрения минимизации негативного влияния на оставляемый древостой и трелевочные волока, наиболее средощадящей системой машин для заготовки сортиментами оказалась система из харвестера и форвардера легких классов (например, John Deere 770D и 810D), что объясняется меньшим количеством машин в системе и, следовательно, меньшим числом проходов машин по одному следу.

7. Применение валочной головки с накопителем позволяет увеличить производительность машины на 8%. При рассмотрении систем машин для прочисток и ранних прореживаний (заготовка целыми тонкомерными деревьями) наибольшую эффективность показала система из харвестера в режиме ВПМ и мобильной рубительной машины, что объясняется меньшим числом машин в системе.

8. С точки зрения минимизации негативного влияния на лесную среду, при рассмотрении систем машин, производящих заготовку целыми тонкомерными деревьями, наибольший урон оставляемым на доращивание деревьям и лесной среде наносит система машин, включающая пакетирующую машину, что объясняется большим числом машин в системе.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК

1. Суханов Ю. В. Система моделирования лесозаготовок с учетом потребностей биоэнергетики // Вестник Московского государственного университета леса «Лесной Вестник», № 1, 2013. — С. 152-157

2. Суханов Ю. В., Герасимов Ю.Ю., Селиверстов А. А., Сюнёв В. С. Системы машин для производства топливной щепы из древесной биомассы по технологии заготовки деревьями // Тракторы и сельхозмашины, 2012, N1 — С. 7-13 (доля участия 50%)

3. Суханов Ю. В., Герасимов Ю. Ю„ Селиверстов А. А., Соколов А. П. Технологические цепочки и системы машин для сбора и переработки древесной биомассы в топливную щепу при сплошнолесосечной заготовке в сортиментах // Научный периодический журнал «Системы. Методы. Технологии». Братский государственный университет N4 (12) 2011. — С. 101-107 (доля участия 50%)

4. Суханов Ю. В., Селиверстов А. А., Соколов А. П., Сюнёв В. С. Имитационное моделирование работы харвестера: алгоритмы и реализация // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки, № 8, 2012. Том 2 — С. 49-51 (доля участия 50%)

5. Герасимов Ю. Ю„ Селиверстов А. А., Суханов Ю. В., Сюнёв В. С. Основные факторы планирования производства древесного топлива из древесной биомассы // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки, № 8, 2011. — С. 77-80 (доля участия 25%)

6. Герасимов Ю. Ю., Сюнёв В. С., Соколов А. П., Селиверстов А. А., Катаров В. К, Суханов Ю. В., Рожин Д. В., Тюрлик И. И., Фирсов М. В. Рациональное использование древесины и лесосечных отходов в биоэнергетике: оценка потенциалов и технологических подходов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. КубГАУ, N73(09), 2011. — С. 187-198 (доля участия 11%)

7. Селиверстов А. А., Герасимов Ю. Ю„ Суханов Ю. В., Сюнёв В. С., Катаров В. К. Оценка эффективности производства топливной щепы на лесном терминале // Тракторы и сельхозмашины, 2012, N8 С. 2527 (доля участия 20%)

8. Герасимов Ю. Ю., Давыдков Г. А., Катаров В. К., Кильпеляйнен С. А., Перский С. Н„ Рожин Д. В., Селиверстов А. А., Соколов А. П., Суханов Ю. В., Сюнёв В. С. Апробация системы поддержки принятия решений в лесной биоэнергетике: технико-технологическое обоснование //

Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. КубГАУ, N82(08), 2012 — С. 533-558 (доля участия 10%)

9. Герасимов Ю. Ю„ Соколов А. П., Сюнёв В. С., Суханов Ю. В. Апробация системы поддержки принятия решений по использованию древесины в биоэнергетике: технико экономическое обоснование // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки, № 8,2012. Том 1 — С. 90-94 (доля участия 25%)

10. Шегельман И. Р. Бурав возрастной и пути его совершенствования / И. Р. Шегельман, В. М. Лукашевич, А. С. Васильев, Ю. В. Суханов // Инженерный вестник Дона Вып. 3. Ростов-на-дону, 2013. — [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1743, свободный. — Загл. с экрана. — Яз. Рус. (доля участия 10%)

Статьи в в рецензируемых (индексируемых) изданиях (SCOPUS, Web of Science, РИНЦ, AGRIS)

11. Sukhanov Y., Seliverstov A., Gerasimov Y. Efficiency of Forest Chip Supply Systems in Northwest Russia // Advanced Materials Research Vol. 740 (2013) pp 799-804 © (2013) Trans Tech Publications, Switzerland doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.740.799 (SCOPUS, Web of Science) (доля участия 33%)

12. Суханов Ю. В., Соколов А. П., Герасимов Ю. Ю. Оценка экономической эффективности систем машин для производства топливной щепы в Республике Карелия //Resources and Technology, том 10 (2013), номер 1, Петрозаводск, 2013. — [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://rt.petrsu.ru/files/pdf/1941.pdf , свободный. — Загл. с экрана. — Яз. Рус. (РИНЦ, AGRIS) (доля участия 33%)

Нерецензируемые издания, сборники статей, материалы конференций

13. Суханов Ю. В. Обоснование выбора системы лесосечных машин для проходных рубок ухода // Труды лесоинженерного факультета Петрозаводского университета / Петрозаводский государственный университет. Лесоинженерный факультет. — Петрозаводск, 2003. — Вып. 4. — С. 131-133

14. Суханов Ю. В. Обоснование параметров лесных машин для рубок ухода с использованием методов имитационного моделирования // Сборник статей VII Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении». — Пенза, 2003. — С. 164-166

15. Суханов Ю. В. Обоснование выбора системы машин для рубок ухода // «Актуальные проблемы лесного комплекса». Сборник научных трудов по итогам 5-ой международной научно-практической конференции. Выпуск 8. — Брянск: БГИТА, 2004. — С. 202-204

16. Суханов Ю. В. Применение имитационного моделирования для обоснования параметров лесной машины // Сборник статей VIII Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении». — Пенза, 2004. — С. 205-208

17. Суханов Ю. В. Применение компьютерного моделирования при выборе системы машин для рубок ухода // «Актуальные проблемы лесного комплекса». Сборник научных трудов. Выпуск 9. - Брянск: БГИТА, 2004. — С. 207-209

18. Суханов Ю. В. Компьютерная система поддержки принятия решения по оптимальному выбору машин для рубок ухода // Актуальные проблемы развития лесного комплекса: Материалы международной научно-технической конференции. — Вологда: ВоГТУ, 2005. — С. 39-41

19. Суханов Ю. В. Моделирование работы систем машин для рубок ухода // «Актуальные проблемы лесного комплекса». Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. Выпуск 11. - Брянск: БГИТА, 2005. — С. 57-61

20. Суханов Ю. В. Экономическая эффективность рубок ухода //Развитие производительных сил Республики Карелия : материалы республиканской научно-практической конференции. Петрозаводск: ПетрГУ, 2010. — С. 38-40

21. Суханов Ю. В. Моделирование природно-производственных условий эксплуатации лесных машин // Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ. Выпуск 8. Петрозаводск: ПетрГУ, 2010. — С. 149-150

22. Суханов Ю. В. Выбор системы машин для сбора отходов лесозаготовок и получения топливной щепы // Сборник научных трудов «Актуальные проблемы лесного комплекса» Брянск. Выпуск 25, 2010. — С.169-171

23. Суханов Ю. В. Выбор оптимальной технологии сбора отходов лесозаготовок для получения топливной щепы // Материалы международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса». Вологда: ВоГТУ, 2011. — С. 49-50

24. Суханов Ю. В. Система оценки экономической целесообразности производства топливной щепы из порубочных остатков // Сборник научных трудов «Актуальные проблемы лесного комплекса» Брянск. Выпуск 29, 2011. — С. 174-177

25. Суханов Ю. В. Выбор системы машин для производства топливной щепы из порубочных остатков // Материалы седьмой международ-

ной научно-практической конференции «Леса России в 21 веке» Санкт-Петербург 2011. — С. 19-23

26. Суханов Ю. В. Анализ операций по производству топливной щепы с помощью имитационного моделирования // Материалы международной научно-практической конференции «Опыт лесопользования в условиях Северо-Запада РФ и Фенноскандии». Петрозаводск, 2011 — С. 116-117

27. Суханов Ю. Б. Система оценки экономической эффективности цепочки поставки топливной щепы // Лесозаготовки и логистика в России — в фокусе научные исследования и бизнес-возможности. Финальный отчет по научно-исследовательскому проекту. Working Papers of the Finnish Forest Research Institute, №221. Йоэнсуу: НИИ леса Финляндии METLA, 2012 — С. 46-53

28. Sukhanov, Y. The system for the estimation of the economic efficiency of a forest chip supply system // Wood harvesting and logistics in Russia — focus on research and business opportunities. Final report of the research project. Working Papers of the Finnish Forest Research Institute, N210. Joensuu : Finnish Forest Research Institute , 2012 — C. 47-54

29. Суханов Ю. В. Использование древесины от рубок ухода для производства щепы энергетического назначения // III Международная Интернет-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Инновационные технологии: теория, инструменты, практика» (InnoTech 2011). Электронный сборник материалов. [Электронный ресурс]. Пермь: Пермский Национальный Исследовательский Политехнический Университет, 2012. — Электрон.ст. — Режим доступа к ст.: http://www.conference.msa.pstu.ru/ dokumenty/ispolzovanie-drevesiny-ot-rubok-uhoda-dlya-proizvodstva-schepy-energeticheskogo-naznacheniya/view , свободный. — Загл. с экрана. — Яз. рус. Суханов Ю. В. Использование_древесины. 2012. (Информрегистр 0321203535)

30. Суханов Ю. В. Моделирование заготовки тонкомерной древесины на операциях валки и трелевки // Повышение эффективности лесного комплекса Республики Карелия: Материалы третьей республиканской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов, докторантов. Петрозаводск: ПетрГУ, 2012 — С. 46-48.

31. Селиверстов А. А., Суханов Ю. В., Сюнёв В. С. Методика оценки перспективности заготовки древесной биомассы для нужд местной энергетики // Повышение эффективности лесного комплекса Республики Карелия: Материалы третьей республиканской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов, докторантов. Петрозаводск: ПетрГУ, 2012 — С. 39-41. (доля участия 33%)

32. Селиверстов А. А., Суханов Ю. В., Сюнёв В. С., Катаров В. К. Использование передвижных рубительных машин для производства топливной щепы в условиях Республики Карелия // Лесопромышленник. №2 (62) 2012 — С. 19-23. (доля участия 25%)

33. Селиверстов А. А., Суханов Ю. В., Симонова И. В. Факторы, влияющие на качество балансовой древесины // Новые информационные технологии в целлюлозно-бумажной промышленности и энергетике: Материалы десятой юбилейной международной научно-технической конференции. Петрозаводск: ПетрГУ, 2012 — С. 43-45 (доля участия 33%)

34. Суханов Ю. В., Селиверстов А. А., Сюнёв В. С., Перский С. Н. Пути использования тракторов сельскохозяйственного назначения при заготовке топливной щепы И Лесной и химический комплексы — проблемы и решения. Сборник статей по материалам Всероссийской научно-практической конференции. Том 1 — Красноярск: СибГТУ, 2012 — С. 150-156 (доля участия 25%)

35. Селиверстов А. А. , Суханов Ю. В., Симонова И. В. Пути повышения эффективности использования лесозаготовительных машин // Материалы VI региональной научно-методической конференции «Университеты в образовательном пространстве регйона: опыт, традиции и инновации ». Часть II — Петрозаводск: ПетрГУ* 2012 — С. 187-190 (доля участия 33%)

36. Суханов Ю. В., Пеккоев А. Н„ Лукашевич В. М„ Катаров В. К. МОТТ1 — компьютерная система поддержки принятия решений в лесном хозяйстве // Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ. Выпуск 9. Петрозаводск: ПетрГУ, 2012. — С. 55-57 (доля участия 25%)

37. Суханов Ю. В., Селиверстов А. А., Соколов А. П., Перский С. Н. Имитационное моделирование операций трелевки форвардероМ: алгоритмы и реализация // Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ. Выпуск 9. Петрозаводск: ПетрГУ, 2012. — С. 58-61 (доля участия 25%)

38. Суханов Ю. В., Лукашевич В. М., Пеккоев А. Н. Внедрение инструментов моделирования развития древостоя в процесс обучения //Опыт внедрения устойчивого лесопользования и лесоуправления в практику: материалы международной научно-практической конференции. — Великий Новгород, 2013. — С. 25-28 (доля участия 33%)

39. Суханов Ю. В., Лукашевич В. М., Пеккоев А. Н. Адаптация компьютерной системы поддержки принятия решений МОТТ1 к условиям Республики Карелия // XIV Мехдународная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех-2013»: материалы конференции (2022 марта 2013 г.): ч.4. - Ухта: УГТУ, 2013. — С. 111-115

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ

1. Суханов Ю. В. БСБ — программный комплекс для имитационного моделирования работы лесосечных машин // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ N 2012615490. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 19 июня 2012 г.

2. Суханов Ю. В. УккоТлте — программа для проведения хронометража по видеозаписям // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ N 2011617329. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 21 сентября 2011 г.

Подписано в печать 14.11.13. Формат 60x84'/». Бумага офсетная. Печ. л. 1. Тираж 120 экз. Изд. № 426.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСТИТЕТ

Отпечатано в типографии Издательства ПетрГУ Республика Карелия, 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петрозаводский государственный университет»

04201454055 Суханов Юрий Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СИСТЕМЫ ЛЕСОСЕЧНЫХ МАШИН ДЛЯ РУБОК УХОДА С УЧЕТОМ БИОЭНЕРГЕТИКИ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Соколов Антон Павлович

Петрозаводск - 2013

На правах рукопис.

/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................6

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................................10

1.1 Рубки ухода и их место в системе лесоэксплуатации..................................................10

1.2 Обоснование необходимости проведения рубок ухода................................................12

1.3 Технологии и машины для проведения рубок ухода с учетом биоэнергетики..........13

1.3.1 Технологии и машины заготовки сырья для биотоплива в деревьях..........................16

1.3.2 Технологии и машины заготовки сырья для биотоплива в щепе................................21

1.3.3 Технологии и машины заготовки сырья для биотоплива в сортиментах...................21

1.3.4 Технологии с использованием пакетирующих машин.................................................23

1.3.5 Возможности использования тракторов сельскохозяйственного назначения............24

1.4 Воздействие лесных машин на почву и оставляемый на доращивание древостой.. .25

1.5 Проблема оптимального выбора техники и технологий для проведения рубок ухода с учетом биоэнергетики..................................................................................................30

1.6 Обзор научных работ, посвященных рациональному выбору техники для рубок ухода.................................................................................................................................31

1.7 Обоснование необходимости разработки модели.........................................................32

1.8 Выводы и основные задачи исследования.....................................................................32

2 ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛА ЭНЕРГИИ ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ ОТ РУБОК УХОДА...................................................................................................................................................34

2.1 Источники сырья для лесной биоэнергетики................................................................34

2.2 Особенности лесного фонда Республики Карелия.......................................................35

2.3 Рубки ухода в Республике Карелия................................................................................38

2.4 Использование древесной биомассы в качестве топлива.............................................39

2.5 Потенциал энергии древесной биомассы от рубок ухода............................................41

3 СТРУКТУРА СИСТЕМЫ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МЕТОДЫ...................................................44

3.1 Основные критерии (факторы).......................................................................................44

3.2 Методы и средства...........................................................................................................45

3.3 Структура системы принятия решения..........................................................................47

3.4 Методика расчета производительности лесных машин и производственных затрат...........................................................................................................................................48

3.4.1 Методика расчета производственных затрат.................................................................49

3.4.2 Методика расчета производительности лесных машин...............................................49

3.5 Методика расчета экологических факторов, характеризующих последствия применения различных технологических цепочек по производству топливной щепы.....56

3.6 Методика расчета факторов, характеризующих качество щепы.................................57

3.7 Методика расчета социальных факторов и условий труда..........................................58

РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ....................................................................60

4.1 Моделирование лесосеки и рабочих условий...............................................................60

4.1.1 Моделирование вертикальной структуры древостоя....................................................61

4.1.2 Моделирование горизонтальной структуры древостоя................................................66

4.1.3 Моделирование выбора деревьев в рубку......................................................................70

4.1.4 Моделирование рельефа..................................................................................................70

4.1.5 Моделирование климатических условий.......................................................................71

4.1.6 Моделирование почвенно-грунтовых условий.............................................................72

4.2 Проектирование имитационных моделей операций валки, пакетирования

и первичной обработки спиленных деревьев.........................................................................76

4.2.1 Моделировании работы колесного харвестера..............................................................76

4.2.2 Отличия в моделировании работы харвестера на базе экскаватора............................86

4.2.3 Отличия в моделировании работы машины, оснащенной харвестерной головкой и накопительным устройством.................................................................................................88

4.2.4 Отличия в моделировании работы машины, оснащенной валочной головкой..........89

4.2.5 Отличия в моделировании работы машины, оснащенной валочной головкой

с накопителем.............................................................................................................................90

4.2.6 Имитационное моделирование работ с использованием бензомоторного инструмента...............................................................................................................................91

4.3 Проектирование имитационных моделей передвижения машин................................97

4.3.1 Модель нахождения координат технологической остановки......................................97

4.3.2 Модель передвижения для машин с колесным движителем........................................98

4.3.3 Модель передвижения для машин с гусеничным движителем.................................104

4.4 Проектирование имитационных моделей операций трелевки..................................106

4.4.1 Имитационные модели работы форвардера................................................................106

4.4.2 Имитационное моделирование работы харвардера....................................................112

4.4.3 Имитационное моделирование работы сельскохозяйственного трактора с прицепом и манипулятором......................................................................................................................112

4.4.4 Имитационное моделирование работы трактора с канатно-чокерным оборудованием.........................................................................................................................113

4.5 Имитационное моделирование работы мобильной рубительной машины на базе форвардера...............................................................................................................................116

4.6 Имитационное моделирование работы пакетирующей машины на базе форвардера...............................................................................................................................117

4.7 Моделирование работы передвижной рубительной машины на погрузочной площадке...................................................................................................................................118

4.8 Алгоритмы расчета основных факторов......................................................................118

4.8.1 Производительность лесных машин и затраты...........................................................118

4.8.2 Урон оставляемым на доращивание деревьям и лесной среде..................................119

4.8.3 Расчет изменения таксационных характеристик древостоя в течение определенного промежутка времени...............................................................................................................120

4.9 Управление системой моделирования работы лесных машин и взаимодействие с другими системами.................................................................................................................123

4.10 Реализация моделей в виде готовых программ...........................................................124

5 ПРОВЕРКА ПРИМЕНИМОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ...........................................................................................................................................126

5.1 Цель и задачи экспериментальной проверки..............................................................126

5.2 Проведение хронометражных наблюдений за техникой............................................126

5.3 Результаты обработки хронометражных данных........................................................131

5.4 Организация и результаты компьютерных экспериментов........................................135

5.4.1 Сопоставимость данных хронометража и компьютерных экспериментов..............135

5.4.2 Сравнение данных по комплексам от предприятия и компьютерных экспериментов..........................................................................................................................139

5.5 Применение разработанной системы для расчета эффективности цепочек лесозаготовительных машин при заготовке деловой древесины и сырья для биоэнергетики..........................................................................................................................148

5.6 Применение разработанной системы для расчета особенностей работы машин при проведении рубок ухода..........................................................................................................157

5.7 Результаты проверки применимости разработанных моделей...................................160

6 ВЫБОР СИСТЕМЫ МАШИН ДЛЯ РУБОК УХОДА С УЧЕТОМ БИОЭНЕРГЕТИКИ. 161

6.1 Выбор технологии заготовки древесины.....................................................................161

6.2 Расчет себестоимости переработки древесной биомассы в топливную щепу и себестоимости транспортировки лесопродукции до потребителя..................................162

6.3 Моделирование проведения рубок ухода по сортиментной технологии..................166

6.4 Моделирование проведения рубок ухода по технологии заготовки деревьями.......171

6.5 Выводы и рекомендации................................................................................................174

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................................175

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...............................................................177

ПРИЛОЖЕНИЕ А...................................................................................................................187

ПРИЛОЖЕНИЕ Б....................................................................................................................194

ПРИЛОЖЕНИЕ В....................................................................................................................213

ПРИЛОЖЕНИЕ Г....................................................................................................................218

ПРИЛОЖЕНИЕ Д....................................................................................................................219

ПРИЛОЖЕНИЕ Е....................................................................................................................220

ВВЕДЕНИЕ

Россия, имея самые большие в мире лесные ресурсы, обладает огромным потенциалом в области лесной биоэнергетики. Перспективными направлениями являются как развитие внутреннего потребления древесного биотоплива для выработки тепла и электроэнергии, так и экспорт древесного биотоплива за границу. Развитие биоэнергетики может создать новые рабочие места, улучшить экологическую обстановку, сделать удаленные лесные регионы менее зависимыми от привозных ископаемых источников энергии.

По мере развития биоэнергетики будет вставать вопрос о дополнительных источниках сырья для производства древесного топлива. Одним из таких источников сырья необходимо рассматривать древесину, получаемую при проведении рубок ухода.

В настоящее время опыт применения современных систем машин для производства древесного биотоплива из древесной биомассы от рубок ухода в России достаточно скуден.

Большой интерес представляет зарубежный опыт, прежде всего стран Скандинавии, где производство энергии из древесины уже сегодня играет существенную роль в жизни общества. Но следует принять во внимание, что отличия природно-производственных и экономических условий не позволяют использовать накопленный опыт зарубежных стран в области лесной биоэнергетики напрямую в России, без соответствующей адаптации.

Задача рационального выбора технологической цепочки и системы машин для проведения рубок ухода с производством энергетической щепы из заготовленной биомассы является сложной и многофакторной. Помочь в решении этой задачи может компьютерная система поддержки принятия решений, которая, за счет возможности моделирования различных сценариев и обработки большого массива данных, позволяет подобрать рациональное решение. Такая система помогает отбросить заведомо проигрышные варианты и выделить наиболее удачные. Варьируя исходными данными, пользователь системы может определить границы применения той или иной технологии.

Проблемы рационального выбора систем лесосечных машин для рубок ухода достаточно полно освещены в работах С.А. Черепухина, В.М. Захарикова, Н.К. Климушева, В.И. Солдатенкова, Ю. Ю. Герасимова, B.C. Сюнева, С.А. Кильпеляйнена, Г.А. Давыдкова, С.Н. Перского, Ю.А. Ширнина, О. Р. Чайки и др. В основе разработанных этими авторами систем принятия решения находятся имитационные модели работы лесосечных машин на модельных делянках и использована теория игр.

В работах И.Р. Шегельмана, Э.Ф. Герца, О.Н.Галактионова проведена научная оценка ресурсного потенциала древесной биомассы, получаемой в процессе лесозаготовок.

Эту древесную биомассу предлагается использовать в качестве сырья для котельных, работающих на древесном топливе.

В работах С.Б. Васильева, В.И. Патякина, И.Р. Шегельмана, К.В. Полежаева обоснованы параметры и методики выбора рубительных машин для производства топливной щепы из древесной биомассы.

Проведение рубок ухода нацелено на выполнение основной задачи — получение качественной деловой древесины ко времени сплошнолесосечной рубки спелого древостоя, но не менее важной задачей в настоящее время является заготовка энергетической древесины.

Однако, существующие модели и алгоритмы принятия решений по обоснованию выбора системы машин для рубок ухода, к сожалению, не позволяют учитывать сложившееся к настоящему моменту изменение технологических процессов лесозаготовок, обусловленное развитием биоэнергетики.

Целью работы является повышение эффективности проведения рубок ухода с заготовкой древесной биомассы для производства топливной щепы за счет рационального выбора системы машин и технологий с использованием компьютерной системы принятия решения.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие основные задачи:

1. Разработать алгоритм выбора систем машин для рубок ухода с учетом возможностей биоэнергетики, которые могли бы позволить, учитывая состав древостоя, природно-климатические и производственные условия, а также рельеф местности, получить максимально возможный лесохозяйственный и экономический эффект.

2. Создание программного комплекса, состоящего из модели древостоя и окружающей среды, имитационной модели проведения рубки ухода с производством топливной щепы, учитывающей повреждения деревьев и почвы, моделей расчета экономической эффективности и лесохозяйственных критериев проведения рубок с помощью альтернативных технологий и лесозаготовительных машин.

3. Разработка рекомендаций для выбора рациональной системы машин и технологии для заготовки топливной щепы от рубок ухода для типовых условий Республики Карелия.

Научная новизна:

Предложена методика, позволяющая осуществлять выбор технологических решений по организации заготовки деловой древесины и энергетической древесины для производства топливной щепы путем проведения имитационных экспериментов с помощью разработанного комплекса компьютерных программ.

Разработаны алгоритмы, позволяющие учитывать особенности работы лесосечных машин с учетом технологий заготовки энергетической древесины при рубках ухода.

Разработаны имитационные модели лесосечных машин, позволяющие проводить компьютерные эксперименты и выявлять рациональную технологию и систему машин для конкретных природно-производственных условий.

Даны практические рекомендации по выбору технологий и систем машин для типовых природно-производственных условий Республики Карелия.

Теоретическая и практическая значимость работы:

Теоретическую значимость имеют разработанные методы и модели расчета производительности лесосечных машин и объемов лесопродукции, позволяющие подобрать систему машин для проведения рубок ухода с учетом заготовки топлива для биоэнергетики.

Результаты работы позволяют проводить имитационные эксперименты над лесосечными машинами в различных природно-производственных условиях и подбирать рациональную технологию заготовки деловой и топливной древесины.

Методология и методы исследования:

Для решения поставленной задачи были использованы методы имитационного моделирования и математической статистики. В процессе решения поставленных задач и обработки результатов экспериментов применялись программный пакет Мар1п&, электронные таблицы и программное обеспечение, созданное на языках С++ и МарВаэгс.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика, позволяющая рационально выбрать технологию и систему лесосечных машин для заготовки деловой и топливной древесины от рубок ухода для различных природно-производственных условий.

2. Результаты имитационного моделирования по выбору технологии и лесозаготовительных машин для рубок ухода с учетом потребностей биоэнергетики, учитывающие следующие оценочные показатели: производительность системы (и машин в ней), затраты на осуществление рубок, прибыль от реализации древесины рубок ухода, качество выполнения работы и минимальный урон оставляемому на доращивание древостою.

3. Рекомендации по рациональному подбору технологий и систем лесосечных машин для типовых природно-климатических условий Республики Карелия.

Степень достоверности и апробация результатов:

Достоверность результатов работы обеспечена применением методов имитационного моделирования и математической статистики, д�