автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение эффективности лесозаготовок на основе применения компьютерной системы оценки экологической совместимости машин с лесной средой

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Экологические последствия воздействия ходовых систем машин на лесные почвы

1.2 Исследования воздействия ходовых систем машин на лесные почвы

1.3 Географические информационные системы и возможность их применения при решении поставленных задач

1.4 Постановка задачи исследований

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДВИЖИТЕЛЕЙ С ПОЧВОЙ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

2.1 Основные понятия

2.2 Моделирование лесной почвы

2.3 Моделирование элементов ходовых систем

2.4 Результаты моделирования взаимодействия элементов ходовых систем машин с лесной почвой

Выводы

3. ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ

СИСТЕМ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ

СОВМЕСТИМОСТИ ДВИЖИТЕЛЕЙ ЛЕСНЫХ МАШИН СО СРЕДОЙ

3.1 Определение и области применения ГИС

3.2 Процедура разработки ГИС-проекта

3.2.1 Создание электронных карт и соответствующих баз данных исследуемой территории

• 3.2.2 Разработка программы для анализа БД

Выводы

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ

• ЛЕСНОЙ ТЕХНИКИ НА ПОЧВУ

4.1 Цель и задачи исследования

4.2 Характеристика объектов исследований

4.3 Характеристика условий эксперимента

4.4 Порядок проведения и определяемые параметры

• 4.5 Результаты испытаний

Выводы

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

• ЛЕСНЫХ МАШИН СО СРЕДОЙ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРНОЙ И

СРЕДНЕЙ ТАЙГИ РЕСПУБЛИКИ КАРЕЛИЯ

5.1 Описание объекта исследования

5.2 Применяемые технологии лесозаготовок и машины

5.3 Исследование воздействия техники на почву и разработка

• рекомендаций

5.3.1 Проходимость

5.3.2 Уплотняемость

5.3.3 Оценка возможности применения тракторов по двум критериям

Выводы

• Актуальность темы. Эффективность лесозаготовок на современном уровне развития общества в значительной мере определяется степенью влияния применяемых технологий и машин на природную среду. Сегодня

• международная торговля древесной продукцией, лесоэксплуатация теснейшим образом увязываются с вопросами сертификации лесной продукции, важной частью которой является экологическая составляющая.

Повышение степени машинизации лесозаготовок и соответствующий рост их эффективности приводят к усилению техногенного воздействия лесозаготовительных процессов на лесную среду. При проведении рубок главного пользования это воздействие сводится к уплотнению почвы, разрушению почвенного покрова по следу движения машин с образованием колеи и частичной или полной минерализацией почвы. Последствия уплотнения и амелиорации участков колеи негативно сказываются на процессе лесовозобновления, что нарушает основополагающие принципы неистощительного использования возобновляемых природных ресурсов. Еще острее проблема взаимодействия лесных машин с почвой стоит при проведении выборочных рубок и рубок ухода за лесом. В этом случае, помимо отмеченных

• отрицательных воздействий, движители машин перерезают корни оставляемых на доращивание деревьев вблизи технологических коридоров. Кроме того, уплотнение почвы затрудняет рост молодых корней, что отрицательно сказывается на дальнейшем развитии древостоя, вплоть до его гибели.

Минимизации вредного воздействия машин на лесную среду последние годы уделяется значительное внимание. Эти вопросы находят свое отражение в

• таких важных государственных документах, как «Основные положения государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития», «Критические технологии федерального уровня (раздел: Технологии минимизации экологических последствий трансграничных воздействий)», «Экологическая доктрина

• Российской Федерации». Согласно этим документам одним из главных направлений современной государственной лесной политики является «.совершенствование систем управления природными ресурсами, создание

• эффективных средств контроля и экологического мониторинга, повышение уровня экологической экспертизы и информационного обеспечения.».

Учитывая современный уровень развития компьютерных информационных

• технологий, требования программ информатизации и внедрения ГИС-технологий в лесном хозяйстве на 1999-2005 годы, решение задачи обеспечения экологической совместимости машин со средой должно базироваться на использовании достижений информационных технологий по оценке, мониторингу и прогнозированию последствий движения машин при осуществлении лесозаготовок.

Цель работы. Повышение эффективности лесозаготовок и использования машин на основе создания и применения компьютерной системы оценки и прогнозирования экологических последствий движения машин по лесным почвам северной и средней тайги (на примере Республики Карелия).

Объекты и методы исследований. Объектами исследований явились участки северной и средней тайги Суоярвского района Республики Карелия, хлыстовая и сортиментная технологии лесозаготовок на предприятиях района, гусеничные и колесные лесозаготовительные машины ТДТ-55А и Timberjack

• 1010. Основными методами исследований являлись ГИС-технологии (географические информационные системы), моделирование взаимодействия движителей машин с лесной почвой на основе метода конечных элементов

МКЭ), экспериментальные исследования колееобразования, изменения плотности и твердости почв, методы математической статистики.

Для решения поставленных задач использовались следующие программные средства: ANSYS 5.5, Maplnfo 5.0, MapBASIC 5.0, MicrosoftExel.

Научная новизна работы.

• Разработана методика оценки последствий движения машин по лесным почвам, базирующаяся на новых компьютерных информационных технологиях и отличающаяся возможностью картографического представления информации.

• Предложена методика создания банков данных и электронных карт по почвенно-грунтовым условиям территории на основе ГИС-технологий и полевых экспедиционных исследований.

• Разработана математическая модель взаимодействия ходовых элементов машин с лесной почвой на основе использования метода конечных элементов, отличающаяся учетом упруго-пластических свойств почвы, наличием корней и камней.

• Получены экспериментальные данные по оценке экологической совместимости гусеничной и колесной машин с лесной почвой по комплексу её важнейших характеристик (плотности, твердости, пористости) и глубине колеи.

Практическая значимость. Совокупность предложенных моделей и информационных баз данных и электронных карт составляют основу системы компьютерной оценки, мониторинга и прогнозирования последствий воздействия лесозаготовительных машин на лесные почвы. Применение системы позволяет на этапе планирования работы лесозаготовительных и лесохозяйственных предприятий осуществлять принятие решений по обоснованию типа и марок применяемых машин с учетом экологического фактора. С использованием предлагаемой системы возможно проигрывание конструктивных вариантов различных движителей на этапе проектирования машин с обоснованием их рациональных параметров. Результаты конкретных исследований по Суоярвскому району Республики Карелия и рекомендации по использованию машин на предприятиях района имеют самостоятельное практическое значение.

Основные положения, выносимые на защиту.

• возможность проведения оценки, мониторинга и прогнозирования воздействия машин на лесную среду на основе ГИС-технологий;

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

• методика создания электронных карт и баз данных по почвенно-грунтовым условиям территории;

• методики и результаты экспериментальных исследований по оценке воздействия лесных машин на почву;

• рекомендации по применению машин в условиях северной и средней тайги (на примере Суоярвского района Республики Карелия).

Достоверность результатов исследований. Достоверность результатов исследований обеспечивается использованием современных информационных технологий, компьютерного обеспечения, методов и средств и подтверждается данными натурных экспериментов и положительным опытом внедрения разработок в практическую деятельность.

Реализация работы. Разработанная система оценки экологической совместимости машин со средой внедрена на предприятиях ОАО АК «Кареллеспром», Карельском НИИ лесной промышленности, Онежском тракторном заводе, используется в учебном процессе на кафедре 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 «Интеграция» (2001 г.) по теме «Экологические последствия технологических

• процессов лесозаготовок в северной и средней тайге Республики Карелия» (№ госрегистрации 01.200.1 19178) и включены в соответствующие отчеты.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на международных, российских и региональных конференциях и семинарах: «Проблемы развития лесного сектора» (г. Петрозаводск, 18.19 ноября 1998), «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); «Региональные проблемы развития лесного комплекса» (г. Петрозаводск, 1998), «Ресурсосберегающие технологии лесного комплекса» (г. Петрозаводск, 1998), «Научное обеспечение лесного комплекса Карелии» (г. Петрозаводск, 1999).

• Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 14 печатных работах, в том числе двух учебных пособиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти

5. Результаты исследования уплотняемости почвы показывают, что колесный форвардер TimberJack-1010 на большинстве типов почв производит большее уплотнение, чем трактор ТДТ-55 А. При этом на глубине 15.20 см различие в

• ' степени уплотнения почв обеими машинами практически не существенно. В верхних слоях (0.5 см) форвардер вызывает большее уплотнение почвы, чем трактор ТДТ-55А, в среднем на 7%. Гусеничный трактор на 3.6 проходах «рыхлит почву» и только после образования колеи порядка 10см уплотняет ее дно.

6. Проведенная оценка возможности применения трелевочных машин в условиях северной и средней тайги (на примере Суоярвского района Республики Карелия) показала, что колесный трактор TimberJack-1010 по условию проходимости (колееобразования) может применяться на 74% лесосырьевой базы района. Гусеничный трактор ТДТ-55 А - на 60% без ограничения числа проходов по одному следу (более 20).

• 7. Оценка экологической совместимости тракторов с почвой по критерию уплотняемости позволяет заключить, что гусеничный трактор ТДТ-55 А может применяться на 68 % территории исследуемого района, а форвардер TimberJack-1010 на 65 %.

8. Суммарная оценка применимости машин по условиям проходимости и экологической совместимости при возможности осуществления 20 проходов техники по одному следу показывает применимость форвардера TimberJack-1010 на 65 % площади лесосырьевой базы Суоярвского района, а трактора ТДТ-55А - на 59%.

9. Конструктивные изменения ходовой части трактора ТДТ-55А (уширение гусениц с 480 до 640мм) повышают площадь возможного экологически обусловленного использования машин на 6%. Установка на форвардер Timber Jack-1010 альтернативных шин 700мм уменьшает зону применяемости машины на 9% от площади лесосырьевой базы района из-за увеличения уплотняющего воздействия на почву.

1. Алексейчик Н.А., Бутько Ю.В., Терехов Б.А. Повышение проходимости сельскохозяйственных машин. Минск: Урожай, 1979. -135с.

2. Анисимов А.Г., Большаков Б.М. Основы минимизации уплотнения почвы трелевочными системами. С-Пб.: JITA, 1998. - 108 с.

3. Анисимов Г.М., Большаков Б.М. Новые концепции теории лесных машин. С-Пб.: ЛТА, 1998. - 116с.

4. Бабков В.Ф., Безрук В.М. Основы грунтоведения и механики грунтов. -М.: Высш. школа, 1976.- 328 с.

5. Беккер М.Г. Введение в теорию систем местность-машина. М.: Машиностроение, 1973. - 520с.

6. Бохьыпаков Б.М. Выбор модели воздействия трелевочных систем на лесную почву.// Известия ВУЗов. Лесной журнал,1998, №4, с.72-75.

7. Большаков Б.М. Снижение отрицательных последствий от воздействия трелевочных систем на лесную почву: Дис. докт. техн.наук в форме научного доклада. С-Пб.:ЛТА, 1998. - 61с.

8. Бредберг К.Й. Разработка машин для рубок ухода, наносящих меньший вред насаждениям// Проблемы рубок ухода. М.: Лесная промышленность, 1998. с.27-31.

9. Бугров А. К., Нарбут Р. М., Сипидин В. П. Исследование грунтов в условиях трехосного сжатия. Л.: Стройиздат, 1987, -184 с.

10. Вильде А.А., Пиннис У.Э. Почвощадящие технологии и машины.// Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1989, №5. с. 15-17.

11. Вильде А.А., Пиннис У.Э. Почвощадящие технологии и машины.// Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1989, №,. с. 15-17.

12. Влияние ходовых систем сельскохозяйственных тракторов на уплотнение почвы и урожайность ячменя/М.И. Ляско, Л.Н. Кутин, К.Г. Селезнев и др. Тракторы и сельхозмашины, 1979, №12, с. 4-6.

13. Влияние ходовых систем тракторов на урожайность пропашных культур / В.А. Русанов, В.М. Баутин, И.С. Небогин, Е.С.Юшков. -Труды Почвенного института им. В.В. Докучаева. Влияние сельскохозяйственной техники на почву. М.: 1982, с.37-43.

14. Водяник И.И. Несовершенство методик определения нормированных показателей воздействия движителей на почву.// Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1989, №5. с. 18.

15. Водянник И.И. Воздействие ходовых систем на почву. М.: Агропромиздат, 1990, - 172 с.

16. Вялов С. С. Реологические основы механики грунтов. М., Высш. шк., 1978. - 447 с.

17. Гапоненко B.C., О путях снижения уплотняющего воздействия машинно-тракторных агрегатов на почву / Труды Почвенного института им. В.В. Докучаева. Влияние сельскохозяйственной техники на почву. -М.: 1981, с.56-61

18. Геоинформационные системы: теория и применение в лесном комплексе./ Герасимов Ю.Ю., Кильпеляйнен. С.А., Давыдков Г.А. Учебное пособие Иоенсуу (Финляндия): Издательство университета Йоэнсуу. 2000.

19. Гольденблат И. И., Копнов В. А. Критерии прочности и пластичностиvконструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1968. - 192 с.

20. ГОСТ 26953-86. Техника сельскохозяйственная мобильная. Методы t определения воздействия движителей на почву.

21. ГОСТ 26954-86. Техника сельскохозяйственная мобильная. Методы определения максимального нормального напряжения в почве.

22. ГОСТ 26955-86. Техника сельскохозяйственная мобильная. Нормывоздействия движителей на почву.

23. Добровольский Г.В., Гришина J1.A. Охрана почв. М.: Изд.-во » Московского университета, 1985. - 224с.

24. Друккер Д., Прагер В. Механика грунтов и пластический анализ или предельное проектированием/Определяющие законы механики грунтов. -М.: Мир, 1975, с. 166-177.

25. Ермольев В.П., Виногоров Г.К. Механика воздействия машин на лесные почвы.//Лесная промышленность, 1995, №3, с. 27.

26. Инструкция о порядке создания и размножения лесных карт. / Государственный комитет СССР по лесному хозяйству . М.: 1987, 80с. « 31 К вопросу воздействия ходовых систем тракторов на почву / А.А.

27. Юшин, И.М. Семенюк, Ю.Н. Благодатный, Н.П. Гармаш. Труды УСХА. Проблемы снижения уплотняющего воздействия на почвуходовых систем трактора, мобильной сельскохозяйственной техники ирабочих органов почвообрабатывающих машин. Киев, 1982, с. 114116.

28. Калинин М. И. Корневедение. М., Экология, 1991. - 173 с.

29. Калинин М. И. Формирование корневой системы деревьев. М., Лесная пром.-сть, 1983. - 152 с.

30. Кнороз В. И., Кленников Е. В. Шины и колеса. М.'.Машиностроение,1975.- 185 с.

31. Кононов A.M. Исследования реализации тягово-сцепных качеств иагротехнической проходимости колесных тракторов на суглинистыхпочвах Белорусии: Автореф. дис. на соиск. учен, степ докт. техн. наук.-Горки; БСХА; 1974. 41с.

32. Кононов A.M. Ксеневич И.П. О воздействии ходовых системтракторных агрегатов на почву. Тракторы и сельхозмашины, 1977, JVb4, с. 5-7.

33. Королев Ю. К. Географические информационные системы.//ГИС Обозрение, Осень 1994, с. 5-8

34. Котиков В.М. Воздействие лесозаготовительных машин на лесные почвы. Автореферат дис. докт.техн.наук. Москва.:МТУЛ, 1995. - 37с. « 41 Котиков В.М., Солодкевич Я.В. Ходовые свойства машин и экология.//

35. Лесная промышленность, 1990, №12, с. 5.

36. Кочнев A.M. Повышение эксплуатационных свойств трелевочных• тракторов путем обоснования их основных параметров. Авторефератдис. докт.техн.наук. С-Пб.:ЛТА, 1995. - 36с.

37. Краак В.Г. Об уплотнении почв на мелиорируемых участках. Труды• Почвенного института им. В.В. Докучаева. Влияниесельскохозяйственной техники на почву, -.: 1981, с.53-55.

38. Кравченко В.И., Кулаков Я.А. Сопротивление обработке уплотненного• движителем К-701 серозема. Механизация и электрификациясельского хозяйства, 1983, № 5, с. 16-17.

39. Ксеневич И.П., Скотников В.А., Ляско М.И. Ходовая система почваурожай. М.: Агропромиздат, 1985. - 304с.

40. Культиасов И. М. Экология растений. М.: Изд.-во Московского университета, 1982. - 384 с.

41. Курков С. В. Метод конечных элементов в задачах динамикимеханизмов и приводов. -СПб.: Политехника, 1991. 224 с. 48 Куутса Ю. Современная скандинавская технология лесозаготовок.//

42. Лес, окружающая среда и новые технологии а Северной Европе.

43. Материалы международной конференции./ Университет Йоэнсуу (Финляндия), 1994, с.295-299.

44. Лесные географические информационные системы/Под ред. Герасимова

45. Ю.Ю. Петрозаводск: Изд.-во ПетрГУ, 1998. - 58 с. 50 Лесосечные машины для рубок ухода:Компьютерная системапринятия решений / Герасимов Ю.Ю., Сюнев B.C. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 1998. 236с.

46. Ляско М.И., Кудренков А.Г. Оценка достоверности методик определения стандартных показателей воздействия на почву колесных движителей. // Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1989, №5, с. 9-12.

47. Ляско М.И., Терзян В.А. Уплотняющее воздействие горного трактора на почву.// Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1990, №5, с. 18-21

48. Малышев М. В. Прочность грунтов и устойчивость оснований сооружений. М., Стройиздат, 1994. - 228 с.

49. Масленников А. М. Расчет строительных конструкций численными методами. -Л.: Изд.-во Ленингр. ун-та, 1987. 224 с.

50. Николаевский В.Н. Современные проблемы механики грунтов.// Определяющие законы механики грунтов. М: Мир, 1975. с. 210-229

51. Отчет по НИИР «Экологические последствия технологических процессов лесозаготовок в северной и средней тайге Республики Карелия» / Петрозаводск №госрегистрации 01.200.1 19178. 2002.

52. Оценка сдваивания колес тракторов класса 30 и 50кН по некоторым показателям/О.Л. Уткин-Любовцов, Л.Н. Кутин, А.А. Шабаров, М.И. Ляско. Тракторы и сельхоз машины, 1981, №3, с. 4-7.

53. Питухин А.В. и др. Применение метода конечных элементов к определению напряженно-деформированного состояния грунта под опорной поверхностью гусеничного движителя.// Лесной журнал, 1980,.с.43-45.

54. Программа информатизации лесного хозяйства на 1998—2001 гг.// Лесное хозяйство, 1998 (4), с.54-56.

55. Разоренов В. Ф. Пенетрационные испытания грунтов. М.: Стройиздат, 1980.-248 с.

56. Ревут И.Б. Физика почв. Л.: Изд.-во «Колос», 1972. - 386 с.

57. Рыскин Ю.Е., Андрюшин М.И. Воздействие колесных тракторов на грунт.// Лесная промышленность, №3, с. 20-21.

58. Савин А.В. и др. Особенности воздействия на почву колесных и гусеничных машин движителей тракторов.// Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1989, №5, с. 12-14.

59. Савицкий В.Ю. Влияние лесосечных машин на почву .//Лесная промышленность, 1992, №1, с. 24.

60. Сарамяки Ю. Возможно ли применение финской системы лесозаготовок в Республике Карелия, России?// Лес, окружающая среда и новые технологии в Северной Европе. Материалы международной конференции./ Университет Йоэнсуу (Финляндия), 1994. с. 240-244.

61. Свалов С. Н. Применение обобщенного гамма-распределения для моделирования строения древостоев// Лесной журнал, 1984, № 2,с. 1013.

62. Сеннов С.Н. Рубки ухода за лесом. М.: Лесная промышленность, 1977. - 160 с.

63. Сюнев B.C. Обоснование выбора систем машин для рубок ухода. / Дис. на соиск. учен.степ. докт.техн.наук. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2000. -397 с. .

64. Сюнев B.C., Герасимов Ю.Ю., Костюкевич В.М. Шагающие лесные машины//Строительные и дорожные машины, 1999, № 4, с. 23-35.

65. Терцаги К. Теория механики грунтов. М.: Машиностроение, 1975.-287с.

66. Трейфельд Р. Ф., Филиппов Ю. В. Геоинформационные системы в российском лесоустройстве //Лесное хозяйство, 1998(2), с.43-45.

67. Хабатов Р.Ш. и др. О государственных стандартах по воздействию движителей мобильной сельхозтехники на почву.// Тракторы и сельскохозяйственные машины, 1989, №5, с. 7-9.73