автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Совершенствование технологии лесосечных работ для условий труднодоступных лесосек Северо-Западного региона РФ

005006189

На правах рукописи

ИВАНОВ Александр Викторович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕСОСЕЧНЫХ РАБОТ ДЛЯ УСЛОВИЙ ТРУДНОДОСТУПНЫХ ЛЕСОСЕК СЕВЕРОЗАПАДНОГО РЕГИОНА РФ

05.21.01. -Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ЛЕК 2011

!

Архангельск - 20 П

005006189

Работа выполнена на кафедре Машины и оборудование лесного комплекса Братского государственного университета

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Григорьев Игорь Владиславович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Минаев Александр Николаевич

кандидат технических наук, доцент Дербин Василий Михайлович

Ведущая организация - Карельский научно-исследовательский

институт лесопромышленного комплекса (КарНИИЛПК)

Защита диссертации состоится 22 декабря 2011 г. в 10 часов на заседании диссертационного Совета 212.008.01 в Северном (Арктическом) федеральном университете по адресу: 163002, Архангельск, набережная Северной Двины 17, главный корпус, ауд. 1220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «21» ноября 2011 г.

Ученый секретарь ,

диссертационного Совета V А.Е. Земцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. По данным Федерального агентства по лесному хозяйству па 2009 год, на территории Северо-Западного федерального округа (СЗФО) запас спелых и перестойных лесонасаждений, возможных для эксплуатации, составляет 3936,49 млн. м3. Значительная часть этого запаса находится на территориях неудобных для проведения лесосечных работ по почвенно-грунтовым и рельефным условиям. К таким территориям относятся площади с переувлажненными и заболоченными почво-грунтами, а также площади относимые к холмисто-грядовым рельефам.

Традиционная система машин лесозаготовительных предприятий, базирующаяся на тяжелых, колесных или гусеничных, лесопромышленных тракторах и машинах на их базе, не может обеспечить эффективного освоения таких труднодоступных лесосек, что, наряду со слаборазвитой дорожной сетью, приводит к тому, что использование расчетной лесосеки за 2009 год по СЗФО составляет в среднем 40,56%. Причем, наиболее низкие показатели приходятся на области имеющие наибольший процент заболоченных и переувлажненных участков, а также участков с пересеченным рельефом - это Республика Коми - 27,2%, Мурманская область - 12,5%; Псковская область - 31,7%.

Известно, что недоиспользование расчетной лесосеки приводит к накоплению перестойных древостоев, являющихся повышенным источником опасности лесных пожаров, а также возникновения очагов поражения вредителями и болезнями. Кроме этого, лесозаготовки и деревопереработка традиционно занимают значительный удельный вес в экономике субъектов СЗФО. Это позволяет утверждать, что невозможность проведения эффективных лесозаготовительных работ существенно снижает экономическую отдачу от фазы лесозаготовок, и увеличивает себестоимость готовой продукции деревопереработки из-за необходимости "закупки сырья далеко за пределами региона, что увеличивает транспортную составляющую себестоимости.

Особо следует подчеркнуть экологический аспект проведения лесосечных работ в условиях заболоченных и переувлажненных почво-грунтов и холмисто-грядовых рельефов. Известно, что биогеоценозы на указанных площадях являются особо ранимыми и чувствительными к сильной экологической нагрузке, каковой, безусловно, являются лесосечные работы. Вместе с тем, первейшим требованием к лесопользованию является его не-истощительность, а в перспективе и обязательное способствование расширенному воспроизводству лесных ресурсов - процессу непрерывного расширения производительной способности лесных биогеоценозов, задачей которого является получение через оборот рубки двух кубометров древесины там, где раньше был взят один.

Как было отмечено раньше, на экосистему лесосеки существенное влияние оказывает не только способ и интенсивность рубки, но принятая система машин и режимы их работы. Многочисленные исследования отечественных и зарубежных ученых показывают, что движители лесозаготовительных машин, включая трелевочные тракторы, разрушают структуру почво-грунта лесосек, повреждают корневую систему оставляемых на корню деревьев, что в перспективе приводит водной и ветровой эрозии лесных почво-грунтов, развитию заболачивания, усыханию оставляемых на корню деревьев главных пород, смене пород на малоценные - мягколист-венные, и другим негативным, и, зачастую, необратимым процессам.

Вышесказанное показывает, что для повышения эксплуатационной и экологической эффективности лесозаготовительного производства в условиях труднодоступных лесосек необходимо использовать новые системы машин, и обосновать режимы их работы для получения возможности достижения экологического и экономического оптимумов показателей эффективности лесосечных работ.

Цель работы. Повышение эффективности лесозаготовительного производства при проведении лесосечных работ в условиях труднодоступных лесосек за счет обоснования состава и режима работы системы машин, исходя из задачи снижения экологического ущерба и достижения максимальной производительности.

В работе предложена и исследована математическая модель уплотняющего воздействия пачки лесоматериалов на почву лесосеки при полуподвесной трелевке, предложен ряд оригинальных технических решений для проведения лесосечных работ в условиях труднодоступных лесосек.

Объект исследований. Почвогрунты лесосек.

Предмет исследования. Технологический процесс разработки труднодоступных лесосек, а также процесс уплотнения почвогрунтов лесосек под воздействием пачки древесины при полуподвесной трелевке..

Значимость для теории и практики. Разработанная математическая модель воздействия трелюемой пачки лесоматериалов на почвы лесосек углубляет теорию экологической эффективности трелевочных систем, и технологии лесозаготовительного производства в экологической сфере. Результаты работы позволяют разрабатывать организационные и технологические мероприятия освоения лесосек при разработке труднодоступных лесосек, обеспечивающие снижение отрицательного воздействия на почву.

Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: применением методов математической статистики; проведением экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях и подтвержденной адекватностью полученных моделей за счет удовлетворительной сходимости экспериментальных и теоретических данных.

На защиту выносятся следующие положения:

• Математическая модель уплотнения почвы лесосеки пачкой лесоматериалов при ее трелевке нолуподвесной канатной трелевочной установкой, как при ее прямолинейном движении, так и при поворотах трассы в плане, позволяющая оценивать уплотнение почвы в зависимости от числа пачек и их характеристик.

• Технические решения для проведения лесосечных работ в условиях труднодоступных лесосек.

• Результаты экспериментальных исследований уплотняющего воздействия пачки лесоматериалов на почву лесосеки при нолуподвесной трелевке канатными трелевочными установками.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на первой и второй международных научно-практических Интернет конференциях «Леса России в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2009 г.); на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2009 г.); Межвузовской научной конференции «Молодая мысль: Наука. Технологии. Инновации» (Братск, 2009 г.); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы лесозаготовительных производств, производства материалов и изделий из древесины: пиломатериалы, фанера, деревянные дома, заводского изготовления, столярно-строительные изделия» (СПб, 2009 г.) Конференции «Экспериментальные и теоретические исследования в области инженерных наук», в рамках Политехнического симпозиума «Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона» (СПб, 2008 г.); Международной научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях _ рынка» (СПб, 2011 г.); Международной научно-технической конференции, посвященной 60-летию Лесоинженерного факультета Петрозаводского государственного университета «Опыт лесопользования в условиях Северо-Запада РФ и Фенноскандии» (Петрозаводск, 2011 г.) и ежегодных научно-технических конференциях БрГУ и СПбГЛТА в 2009-2011 гг. Материалы работы входят в проект «Средощадящие технологии разработки лесосек в условиях Северо-Западного региона Российской Федерации», награжденный дипломом III степени Национальной Экологической Премии "ЭкоМир", в номинации «Экологическая наука и технологии», за 2009 г., руководитель проекта - д.т.н., проф. И.В. Григорьев.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в десяти печатных работах, включая монографию и два патента на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы. Общий объ-

ем работы 172 с. Диссертационная работа содержит 55 рисунков, 15 таблиц. Список литературы содержит 159 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении сформулированы актуальность темы диссертации, цель исследований, изложены научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы основные положения выносимые на защиту.

1. Состояние вопроса и задачи исследования. Рассмотрено состояние проблемы, включая характеристику природно-производственных условий рассматриваемых процессов лесосечных работ, особенности технологии рубок леса в условиях заболоченных и переувлажненных лесосек, а также лесосек на холмисто-грядовых рельефах, воздействие техники и технологии на лесную среду и пути повышения экологичности проведения лесосечных работ. Большой вклад в решение технических, экологических и технологических проблем лесозаготовительного производства, оптимизации состава технологических процессов, систем машин и режимов их работы внесли отечественные ученые Г.М. Анисимов, В.И. Патякин, В.Н. Меньшиков, В.Г. Кочегаров, А.К. Редькин, В.К. Курьянов, A.M. Кочнев, М.М. Овчинников, B.C. Сюнев, И.Р. Шегельман, С.М. Базаров, Э.Ф. Герц, П.Б. Рябухин, О.Н. Бурмистрова, Ю.А. Ширнин, И.В. Григорьев, В.Н. Андреев, Ю.Ю. Герасимов, Ю.А. Добрынин, А.И. Жукова, ученые МГУЛ, СПбГЛТА, ВГЛТА, УГЛТУ, ПетрГУ, САФУ, БрГУ, и др.

Анализ работ показал, что до настоящего времени не разработаны математические модели воздействия пачки древесины на лесную почву при полуподвесной трелевке. На основании анализа исследования сформулированы выводы и следующие задачи исследования: '

• Разработать и исследовать математические модели уплотнения лесной почвы пачкой лесоматериалов в процессе полуподвесной трелевки канатной установкой.

• Разработать технические решения для проведения лесосечных работ в условиях труднодоступных лесосек. ■

• Разработать методику экспериментальных исследований и обосновать необходимое число измерений для проведения экспериментальных исследований. ■

• Экспериментальным путем исследовать влияние пачки лесоматериалов на уплотнение почвы лесосеки при полуподвесной трелевке канатной трелевочной установкой.

• Получить данные об адекватности разработанных математических моделей.

• Оценить экономическую эффективность предложенных технологических решений.

2. Разработка новых технических решений для повышения эффективности лесосечных работ в условиях труднодоступных лесосек.

В условиях разработки труднодоступных лесосек, наиболее предпочтительным видом первичного транспорта леса являются мобильные канатные трелевочные установки (МКТУ). Выполненный анализ различных конструкций мобильных канатных трелевочных установок позволяет утверждать, что ни одна из серийных моделей не соответствует природно-производственным условиям труднодоступных лесосек Северо-Запада РФ, характеризующихся малыми площадями, запасами леса на гектаре и объемом хлыста. Особенность МКТУ состоит в том, что все они являются од-нопролетными, причем головная мачта (складная или телескопическая) смонтирована на самоходной гусеничной или колесной базе, а тыловая мачта, вместе с канатной оснасткой, переносится и закрепляется различными методами вручную, что требует большого количества тяжелого ручного труда, и существенно снижает производительность МКТУ. Тыловая мачта при разработке лесосеки, расположенной на крутом склоне, требует нескольких перебазировок, число которых зависит от формы и размеров склона.

Для механизации переместительных операций в лесном хозяйстве, как в РФ, так и за рубежом выпускаются малые универсальные лесные тракторы (МУЛ). В работе предложено оригинальное техническое решение (защищенное патентом на полезную модель), заключающееся в оснащении МУЛа специальным приспособлением, в виде мачгы с боковым расположением на поворотной цапфе (рис. 1). К шасси посредством цапфы на поворотном круге прикреплена наклонная стойка. К концу наклонной стойки шарнирно крепится вертикальная стойка. Канат наматывается на барабаны и запасовывается в блоки на вертикальной стойке. Во время работы МКТУ вертикальная и наклонная стойки вручную поворачиваются на поворотном круге в нужную сторону. Затем вручную поднимается вертикальная стойка, и выбирается необходимая длина каната с барабана. После разработки ленты, за счет шарнира, вертикальная стойка укладывается на наклонную, и при помощи поворотного круга укладывается в транспортное положение (показано пунктиром). Преимущество бокового расположения мачты, по сравнению с фронтальным, заключается в том, что при освоении лесосеки шасси может перемещаться по коридору, не выполняя технологических маневров.

В диссертации для предложенного технического решения составлены выражения для определения поперечной устойчивости самоходной тыловой мачты на склоне, а также для определения упругости однопролетной канатной трелевочной установки с учетом смещения опор.

Для перспективной технологической схемы разработки лесосек основанной на использовании минитракторов, которая состоит из двух технологических цепочек - это трелевка, которая осуществляется мини трелевочными тракторами и транспортировка, которая ведется по принципу замкнутой канатной магистрали (ЗКМ) в диссертации выполнены обоснование угла перегиба несущего каната КТУ на поворотных опорах.

Рис. I. Самоходная тыловая мачта для МКТУ (вид трактора сзади): 1 - поворотный круг; 2 - цапфа; 3 - наклонная стойка; 4 - шарнир; между наклонной и вертикальной стойками; 5 - вертикальная стойка; 6 - блоки; 7 -

барабан для каната

В качестве перспективы развития первичного транспорта леса для рассматриваемых условий лесоэксплуатации в работе предложена новая конструкция трелевочного оборудования - мобильная канатно-рельсовая установка, имеющая минимальное воздействие на почво-грунты лесосек, по сравнению с трелевкой тракторами, и повышенную производительность, по сравнению с КТУ.

Еще одной проблемой лесозаготовительного производства является оперативный учет заготавливаемой древесины, который производится в нескольких точках пути, что снижает производительности технологической цепочки в целом. Кроме этого, оперативный и точный учет лесоматериалов является одним из аспектов эффективной борьбы с незаконными рубками леса. В настоящее время одним из наиболее распространенных способов учета лесоматериалов является весовой, т.е. через измерение веса, при известной плотности лесоматериалов определяют их объем. Этот метод является одним из наиболее точных, простых, и дешевых. Для этого на лесопромышленных складах устанавливаются специальные устройства, взвешивающие груженый лесовоз, и после разгрузки. Использование данного метода в условиях лесосеки (погрузочного пункта) является в настоящее время невозможным, а для мелких складов взвешивающие устройства слишком дороги. В этой связи предлагается следующее техническое решение - оснащать лесовозы несложной измерительной системой, позволяющей автономно определять вес вывозимого груза. Измерительная

систему состоит из следующих элементов: на верхних пластинах рессор каждой оси автолссовоза размещены тензоизмерительные мосты, фиксирующие их деформации под нагрузкой. Электрический сигнал подастся на усилитель. Усиленные сигналы подаются на вибраторы регистрирующего устройства, которое производит запись силы веса груза при стоящем автолесовозе. Электропитание усилителя и осциллографа осуществляется от соответствующих блоков питания, которые получают энергию от бортовой электросети автолесовоза. Данное техническое решение защищено патентом РФ на полезную модель.

3. Математическая модель уплотнения почвы лесосеки пачкой лесоматериалов при полуподвесной трелевке канатной трелевочной установкой. Благодаря минимальному «коэффициенту тары» во время работы КТУ на почву лесосеки оказывает влияние исключительно трелюемая пачка лесоматериалов, поскольку масса перемещающегося с пачкой каната и прицепного устройства много меньше массы самой пачки. При работе КТУ, в большинстве случаев, производится трелевка хлыстов за вершины, это связано с тем, что за счет большой разницы в сопротивлении волочению вершины и комлей, вершинная часть пачки начинает приподниматься, помогая преодолевать встречающиеся препятствия. В отличие от тракторной трелевки угол наклона пачки к горизонту будет не постоянным, а, следовательно, и пятно контакта и давление пачки на почву лесосеки будут переменными. По мере приближения к мачте пачка будет все больше приподниматься, а давление на почву увеличиваться. При приближении к мачте давление пачки на почву будет максимальным и комлевая часть пачки будет сильно переуплотнять почву. Исходя из этих соображений можно сделать вывод о том, что чем меньше поднимется пачка - тем лучше, а, следовательно, и высоту мачты желательно иметь наименьшей. С другой стороны перемещение пачки при ее полном контакте с поверхностью движения приводит к значительным энергозатратам, что привело к отказу от использования безмачтовых КТУ.

Задача теоретического исследования заключается в разработке и исследовании математической модели воздействия комлей или вершин на лесную почву с целью определения ее уплотнения при полуподвесной трелевке пачки лесоматериалов по почве с определенной плотностью естественного сложения почвы

Задача о воздействии пачки лесоматериалов на почву лесосеки при тракторной трелевке в полупогруженном положении была рассмотрена И.В. Григорьевым в 2ООО г. Однако, ее решение не приемлемо для полуподвесной трелевки КТУ, поскольку не учитывает возможность изменения пятна контакта пачки с почвой из-за изменения угла наклона во время трелевки, а также влияние поворотов пачки при изменении направления дви-

жения. Вместе с'тем, результаты, полученные И.В. Григорьевым, могут положены в основу при разработке математической модели рассматриваемого процесса.

При составлении эквивалентной расчетной схемы системы «пачка -почва» принимаем следующие допущения: контакт пачки с точкой подвеса заменяем точкой крепления древесины «а», которая находится над опорной поверхностью на расстоянии Л (рис 2); древесина хлыста по своей структуре и физико-механическим свойствам однородна по всей длине; сбег ствола равномерный и поддается детерминированному описанию; пачка движется равномерно. Расчетная схема для моделирования прогиба хлыста при трелевке за вершину приведена на рис 2.

Составим математическую модель, позволяющую прогнозировать уплотнение почвы при полуподвесной трелевке в зависимости от параметров пачки лесоматериалов и высоты головной мачты канатной трелевочной установки. А также получим выражение для определения оптимальной высоты головной мачты, исходя из требований минимизации уплотнения почвы. Высота мачты влияет на устойчивость самоходного шасси, нагрузки в трансмиссии лебедки, грузоподъемность канатов и производительность. Для определения высоты мачты используем формулу:

где: Н - высота головной мачты, м; С - длина хорды канатов, м; /„ - длина погрузочной площадки, м; Ь - высота тыловой мачты, м; (0+01) - грузоподъемность канатов, кН; цк - распределенная нагрузка от собственного веса тягово-несущего каната, кН/м; С - угол наклона хорды, рад; с - расстояние от пачки деревьев до поверхности склона, 0,5 м; у - угол наклона лесосеки, рад; Гтах - наибольшее натяжение в ветвях тягово-нееущего каната, кН.

где: х - координата приложения нагрузки, м;/х - стрела провеса каната, м.

+ ^ (3)

Наибольшее значение/,, достигает при *=£/2.

Средний угол наклона пачки определяется по выражению: п ИР " 2 / '

где: р - параметр (/?= 1,2,3);/- длина пачки; И ~ высота подъема пачки при трелевке.

Рис. 2. Расчетная схема с погружением комлевой части хлыста в почву

С учетом угла наклона поверхности движения, угол подъема пачки относительно горизонта определится как:

п Ир

^Р=1Т±7. (5)

В рассматриваемом случае высота подъема пачки может быть определена из выражения:

. Н 2Н . (НЛ где: Ь - расстояние до мачты.

и Н,

При у=0, тогда можно записать, что п - —/.

(6)

яр Н 2Н . (Н . ,

а. „=——.1 +-31ПХ+ — ±7.

ср 2 X V I и.

(7)

Максимальная глубина погружения комлевой части пачки, составит: крк . яр Н

Л , „ ... 2Н . Н

А = —/.. = —— Г.1 +-бш/Н- —

21 к 2 I 1 Ь - VI

(8)

здесь - длина касания хлыстом (пачкой) лесной почвы (рис. 2).

При трелевке за вершины (рис. 2) давление комлевой части пачки на почву составит:

0,70

/> = -

^со в«, = /4

з ; '

' 7Г/3 Н [

со яа,.„ = со$,----,¡1

" 1 2 £ \

2/7

1 ч ;

(9)

(10)

где: rK - условный радиус комлей получаемый по таксационному описанию; А, п - характеристические параметры лесной почвы; Л - максимальная глубина погружения комлевой части хлыста в почву. С учетом (8) формула (10) примет вид:

0,7 С ■ cos а ■ nph Г 2Н . (Н\2 /1 д Г Связь между плотностью почвы и ее деформацией имеет известный

вид:

А _ Рт ах ~Ро

в—¿Г' (,2)

где: В - глубина распространения деформации; р0 - плотность естественного сложения лесной почвы до приложения нагрузки, ртах - максимальная плотность почвы под комлевой частью пачки. Значение В можно оценить формулой:

или

в = -

J2г,Д ■ 21Д

т I. 2И ■

к[]пЛ\ + —sm^ +

Н) +

-■ (14)

L \L) „, , 2Н . Н

4 7 7TphJ\ + sin у + I ---

Система уравнений (11), (12) и (14) по заданным значениям веса пачки G, у, гк, р0, ршк позволяет найти предельное расстояние трелевки полуподвесной КТУ, исходя из требования сохранения плодородия"лесной почвы.

Также практический интерес представляет решение обратной задачи, позволяющее минимизировать отрицательное уплотняющее воздействие волочащейся пачки на почву лесосеки: по конечному углу подъема пачки к горизонту. Тогда может быть определен предельно допустимый вес пачки, а при наличии мачты с регулируемой высотой подвеса блока требуемый постоянный угол подъема пачки по критерию предотвращения переуплотнения почвы.

При >>=0 и — « 1 получим:

pm„ - ра пВН

zfc' • (15)

поэтому:

А =

л2 р2Н2 8 г,1?рт

В свою очередь из (12) следует

V орвярн

Л =

2

2л+3

(17)

Л 2^-1

Приравняв (16) и (17), находим оптимальную величину расстояния трелевки по критерию воздействия на почву:

к

7Г2 £2Я2( Л

Г*Рт

Уорвя/зн

/J

(18)

Основываясь на вышеприведенных методических положениях, на рис. 3 представлена расчетная схема с погружением комлевой части хлыста в почву, дополненная учетом возможного поворота трелюемой пачки на угол в.

Рис. 3. Расчетная схема при погружении комлевой части хлыста в почву

На рис. 3 обозначено: Qг -вес хлыста, приложенный к центу масс М пачки; Л0 и 1К - соответственно высота подъема пачки и длина касания почвы комлевой частью; Ав и Д<5 - соответственно глубины погружения комлевой части в вертикальном и боковом в момент поворота направлениях.

Величина вертикального погружения подробно рассмотрена выше. Величина погружения Ад с учетом коэффициента бокового распора (коэффициент Пуассона, у) куг=у/(1-у) может быть определена по формуле:

Д<5 =

0,7;гЗ"У£А/7

(19)

где А и п - параметры грунта в зависимости, представленной в известной степенной форме с]=ЛИ'\ I -длина хлыста; /?= 1, 2, 3 - параметр синусоиды в

зависимости Л = с текущей координатой х по длине хлыста; г,

- условный радиус комля, определяемый на основании таксационных зависимостей как г,= й-[кТ1, где К - коэффициент, учитывающий форму ствола (для сосны - 0,45; ели - 0,50; березы - 0,40; осины - 0,41).

Расчет величины Д<5 по формуле (19) произведен при трелевке хлыстов сосны и следующих значениях входящих параметров: £>2=20 кН; -4=0,1 м.е.; «=0,7; у=0,35; ¿=0,18 м; г,=0,19 м; у$=1; /,=8 м; /г„=2,7 м. В результате расчетов получено значение Д<5=0,184 м.

Тогда максимальная плотность /этах почвы в пределах боковой поверхности трассы трелевки пачки определим как:

+ (20)

При В=0,38 м (грунты достаточно низкой несущей способности) величина рта составила 1,33 р0, т.е. величина относительного уплотнения Д; =1,33. Выполненные расчеты свидетельствуют о том, что наряду с оценкой величины уплотнения почвогрунта в вертикальном направлении необходимо при поворотах трелюемой пачки учитывать развитие процесса уплотнения в перпендикулярном направлении, т.е. в пределах боковой поверхности.

4. Методика и аппаратура экспериментальных исследований.

Для изучения влияния трелюемой пачки древесины на лесные почвы была создана экспериментальная установка, состоящая из лебедки, мачты, троса, растяжек, якорей и блоков.

Эксперимент проводился следующим образом: трос разматывался на всю длину (150 м) и к нему прицеплялась пачка лесоматериалов, после чего включалась лебедка, которая дотаскивала пачку до мачты. Перед началом трелевки по всей трассе движения при помощи оригинального прибора, на пикетах через 1 м, брались пробы естественного сложения почвы, затем после каждого прохода пачки на пикетах брались пробы почвы в следе пачки. Пачка оттаскивалась трактором сбоку от трассы движения. После пяти протаскиваний пачки трасса смещалась на 65-70° и эксперимент повторялся. Всего было выполнено три серии (деревья за комли, хлысты за вершины, хлысты за комли), по 15 протаскиваний каждой. Образцы (керны) почвы помещались каждый 1? герметично закрывающийся пакет и снабжались биркой с указанием номера пикета, номера прохода, и в дальнейшем взвешивались в лабораторных условиях, что позволило свести к минимуму погрешности, неизбежно возникающие в полевых условиях.

Экспериментальные исследования влияния поворота пачки лесоматериалов на уплотнение почвы проводились в лабораторных условиях на базе кафедры СТЛ СПбГЛТА совместно с аспирантом кафедры Технологии лесозаготовительных производств Д.В. Лепилиным. Для контроля за ходом нагружения использовался датчик прибора (динамометр) ДОС-3-2И.

5. Результаты экспериментальных исследований. После взвешивания всех кернов в лабораторных условиях, и определения плотности полученных образцов получалась выборка или статистический ряд для построения гистограммы. Данные статистического ряда вносились в ПЭВМ и при помощи таких прикладных программ, как Microsoft Excel 7.0 и Mathcad 8.0 расчитывались выравнивающие частоты и статистики закона распределения. В результате обработки экспериментальных исследований было определено, что комли пачки хлыстов при трелевке за вершины и вершины хлыстов при трелевке за комли оказывают уплотняющее воздействие на почву.

Таблица 1. Статистики закона распределения плотности почвы

Плотность почвы Статистики, т/м3

Математическое Среднее квадра-

ожидание тичное

X %0 CT %0

Естественного сложения 0,87 100 0,063 100

Плотность под комлями хлыстов 1,П 126 0,074 117

Плотность под вершинами хлыстов 0,89 102 0,088 140

Плотность под кронами деревьев 0,86 99 0,088 140

Из анализа представленных в таблице 1 экспериментальных данных видно, что наибольший ущерб лесной почве наносит волочащаяся комлевая часть пачки при трелевке хлыстов за вершины. Это объясняется достаточно малым пятном контакта комлей с почвой. Кроме того, результаты экспериментальных исследований показывают, что волочащиеся кроны пачки деревьев не уплотняют почву, а в некоторой степени даже разуплотняют ее. Так математическое ожидание плотности почвы в следе волочащихся крон трелюемой пачки деревьев оказалась на 0,5% меньше чем плотность почвы естественного сложения. Математическое ожидание плотности почвы под комлем на 41-50% больше математического ожидания плотности почвы естественного сложения.

Соответствие экспериментальных значений плотности распределения теоретическому закону, то есть адекватности математических моделей объекту, определялась критерием согласия Пирсона. Оценка расхождения между наблюдаемыми или полученными экспериментально и выравнивающими частотами проводилась по критерию Романовского. Расчеты по-

казали, что критерий Романовского по всем исследованиям находится в диапазоне 2,7-2,9.

В таблице 2 приведены усредненные по 5-6 измерениям (с разбросом не более 15%) значения силы Р\ (Н), действующей на рабочую поверхность датчика с площадью 5] для двух указанных состояний удаления тен-зодатчика от поверхности штампа.

Таблица 2. Экспериментальные данные при повороте штампа

Угол поворота штампа CP Диапазон значений Р; при удаление датчика от штампа, мм

г,=8 г,=16

0 0-1 0-0,5

5 3-5 1-3

10 5-7,5 2-4

15 8-10 3-5

После обработки в Excel 2007 была получена эпюра изменения величины Р1 во времени в непосредственной близости датчика от штампа при повороте последнего на угол 0=15°. Ее анализ показал, что эпюра изменения величины Р{ описывается нормальным законом распределения. Кроме этого, было установлено, что время нагружения почвы боковых полос трассы движения от касательных напряжений, возникающих при углах поворота пачки от 0 до 15°, подчиняется нормальному закону распределения, и соизмеримо со временем разгрузки, что позволяет производить оценку влияния цикличности нагружения на уплотнение почвы от поворотов трелюемой пачки.

6. Экономическая оценка предложенных технологических решений. Оценка экономической эффективности применения КТУ в условиях холмисто-грядовых рельефов производится применительно к условно-сплошным рубкам на склонах крутизной: 20-40%, свыше 40%. Расстояние транспортирования канатными трелевочными установками в рассматриваемых условиях составляет 100-250 м по пересеченному рельефу, применение трелевочных тракторов на котором не допустимо. Рубке подвергаются до 62-65% первоначального запаса древесины.

Исследования рассматривают широкий диапазон природно-производственных условий применения КТУ: по объему хлыста в древо-стоях 0,22-0,29 м3; 0,30-0,39 м3; 0,40-0,49 м3; по породному составу древо-стоев: смешанные; по объему лесозаготовок на предприятии: 50 тыс. м3, 100 тыс. м3, 150 тыс. м3; по годам применения: Ги год, 2- год, 3~ год, 4~ год, 5"' год; но ликвидному запасу древесины на 1 га: до 100 м\ 150 м1 и более 150 м3.

В составе комплекса работ рассмотрены основные и вспомогательные работы, выполняемые основными и вспомогательными рабочими ле-

созаготовок. Цены на К'ГУ были приняты по 2009 году на основе опубликованных материалов официальных дилеров, ОАО «Велмаш». В расчетах капиталовложений учтено сокращение расходов по строительству усов лесовозных дорог.

Удельные капитальные вложения связанные с применением КТУ определены по годам эксплуатации по уравнению:

Kyr,=KA,y:tn-K^:ín, (21)

ы /=1

где Кк/у - балансовая стоимость КТУ; Кдор - стоимость строительства

т

лесовозных дорог (усов, веток); - суммарная выработка КТУ за пе-

ы

риод наработки ресурса (Т).

Зависимость удельных капитальных вложений связанных с применением самоходных КТУ в зависимости от объема хлыста в древостое (Ухт) и расстояния трелевки (Lmp):

0 86 0,0135 L

Для КТУ ЛЛ-20 К'= 11,75 + -у- + 0,00951,,,, +-—^

' хт х ?

0 78 0,012AL

Для КТУ ЛЛ-27 Куд = 10,92 + + 0,0086¿„l;, +-—^

171 Х7

В расчетах производственной себестоимости трелевки КТУ и работ, связанных с обеспечением операции трелевка в комплексе лесосечных работ участвуют следующие затраты: основная и дополнительная заработная плата производственных рабочих; отчисления во внебюджетные фонды; расходы на подготовку и освоение производства; расходы на содержание и "эксплуатацию КТУ; экономия расходов по содержанию лесовозных дорог; прочие производственные расходы.

Зависимость эксплуатационных затрах.на трелевку древесины КТУ (С) от среднего объема хлыста в древостое (К„) и расстояния трелевки (Lmp) выглядит следующим образом:

0 65 0,0225£ш;)

Для КТУ ЛЛ-20 CJ() = 22,5 + -р— + 0,023 5Lmp +----

0 56 0,0211L

Для КТУ ЛЛ-27 С^ = 24,7 + -f- + 0,02054,„ + —

' VI Г7

Для последующих лет эксплуатации КТУ удельные эксплуатационные затраты возрастают. Полная себестоимость 1 м! лесопродукции за 2009 год в предприятиях Ленинградской области составила 824,4 руб. Товарность хлыстов древостоя СЗФО определена исходя из их характери-

стик: среднего состава древостоя, среднего диаметра и высоты деревьев в каждой градации среднего объема хлыста. Выход сортиментов из одного хлыста принят по литературным данным с учетом их возможных поломок в процессе валки деревьев.

Результативная оценка работ «трелевка КТУ» по сравниваемым вариантам применения КТУ устанавливает их ценность, которая определяется разностью между ценностью положительных результатов или выгод, обеспечивающих вариантом применения КТУ, и отрицательных результатов по этим вариантам, т.е. ценностъ=выгоды-затраты.

В результате расчетов установлено, что КТУ ЛЛ-20 за период применения на трелевке древесины в сложных рельефных условиях при объеме хлыста 0,255 м3 обеспечивает чистый дисконтированный доход 412,5 руб./м3, а в древостоях с объемом хлыста 0,625 м3 - 670,6 руб. на м3; КТУ ЛЛ-27 соответственно: 451,2 и 694,9 руб/м3.

Основные выводы и рекомендации:

1. В настоящее время на переувлажненных, заболоченных и холмисто-грядовых местностях Северо-Запада РФ сосредоточен значительный объем спелой и перестойной древесины, требующей неотложной рубки. Вышеперечисленные условия являются"особо ранимыми, с точки зрения экологических последствий, и требуют особых систем машин и технологий для проведения лесосечных работ.

2. Предложенная конструкция самоходной тыловой мачты канатной трелевочной установки (защищенная патентом на полезную модель) позволит значительно сократить трудоемкость разработки лесосек с использованием мобильных канатных трелевочных установок.

3. Разработанные устройства предотвращающие перегруз лесовозного транспорта и производящие автоматический учет лесоматериалов (защищенные патентами на полезную модель) позволяют повысить эффективность выполнения вспомогательных работ на лесозаготовках, предотвратить чрезмерные нагрузки на лесовозные дороги и. их подвижной состав.

4. При повороте пачки на угол 15° на почвогрунтах низкой несущей способности величина относительного уплотнения почвогрунта боковой поверхности волока волочащейся комлевой частью пачки достигает р5-1,33. Следовательно, наряду с оценкой величины уплотнения почвогрунта в вертикальном направлении необходимо при поворотах трелюемой пачки учитывать развитие процесса уплотнения в перпендикулярном направлении, т.е. в пределах боковой поверхности.

5. Получены основные зависимости, позволяющие определять оптимальную величину расстояния трелевки по критерию воздействия на почву,

а также оптимальный угол подъема пачки к горизонту при трелевке полуподвесными КТУ.

6. Время нагружения почвы боковых полос трассы движения от касательных напряжений, возникающих при углах поворота пачки от 0 до 15°, подчиняется нормальному закону распределения, и соизмеримо со временем разгрузки, что позволяет производить оценку влияния цикличности нагружения на уплотнение почвы от поворотов трелюемой пачки.

7. Комли пачки хлыстов при трелевке за вершины и вершины хлыстов при трелевке за комли оказывают уплотняющее воздействие на почву. Математическое ожидание плотности почвы под комлем на 41-50% больше математического ожидания плотности почвы естественного сложения. Крона при трелевке деревьев незначительно разуплотняет почву.

8. КТУ ЛЛ-20 за период применения на трелевке древесины в сложных рельефных условиях при объеме хлыста 0,255 м3 обеспечивает чистый дисконтированный доход 412,5 руб./м3, а в древостоях с объемом хлыста 0,625 м3 - 670,6 руб. на м3; КТУ ЛЛ-27 соответственно: 451,2 и 694,9 руб/м3.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Григорьев И.В., Жукова А.И., Григорьева О.И., Иванов A.B. Сре-дощадящие технологии разработки лесосек в условиях Северо-Западного

/ региона Российской Федерации. СПб.: Издательство ЛТА, 2008. 176 с.

2. Григорьев И.В., Жукова А.И., Иванов A.B., Рудов М.Е., Свой-кин Ф.В. Результаты экспериментальных исследований воздействия древесины на почву при различных способах трелевки // Системы. Методы. Технологии. 2011, № 4. С. 68-72.

3. Григорьев И.В., Жукова А.И., Иванов А.В"., Ленилин Д.В. Математическая модель влияния маневрирования трелюемой пачки древесины на почву лесосек // Системы. Методы. Технологии. 2011, № 4. С. 57-61.

4. Иванов В.А., Иванов A.B. Определение упругости однопролетной канатной трелевочной установки с учетом смещения опор / Материалы первой международной научно-практической Интернет конференции «Леса России в.XXI веке». СПб.: ЛТА, 2009. С. 170-174.

5. Иванов A.B. Обоснование угла перегиба несущего каната канатной трелевочной установки на поворотных опорах / Материалы второй международной научно практической интернет-конференции "Леса России в XXI веке". СПб.: ЛТА, 2009. С. 184-192.

6. Григорьев И.В., Григорьева О.И., Жукова А.И., Иванов A.B., Рудов С.Е. Показатели качества процесса лесоэксплуатации // Материалы

Международной научно-практической конференции «Современные проблемы лесозаготовительных производств, производства материалов и изделий из древесины: пиломатериалы, фанера, деревянные дома, заводского изготовления, столярно-строительные изделия». СПб.: НП «НЦО МТД», 2009. Том. 2. С. 155-163.

7. Иванов A.B., Киселев Д.С. Разработка труднодоступных лесосек в условиях Северо-Западного региона Российской Федерации / Политехнический симпозиум «молодые ученые - промышленности СевероЗападного региона». Материалы конференции «Экспериментальные и теоретические исследования в области инженерных наук» СПб.: ГПУ 2008 г. С. 50-51.

8. Тихонов И.И., Григорьев И.В., Жукова А.И., Лепилин Д.В., Киселев Д.С., Иванов A.B. Устройство учета веса лесоматериалов при проведении транспортных работ. Патент на полезную модель N° 86135 опубл. 27.08.2009 Бюлл. № 24.

9. Григорьев И.В., Жукова А.И., Иванов A.B., Григорьева О.И. Тыловая мачта для мобильной канатной трелевочной установки. Патент на полезную модель № 84181 опубл. 10.07.2009 Бюлл. № 19.

10. Григорьев И.В., Жукова А.И., Иванов A.B., Есин Г.Ю. Новое техническое решение для трелевки лесоматериалов в условиях заболоченных и переувлажненных лесосек И Опыт лесопользования в условиях Северо-Запада РФ и Фенноскандии. Материалы международной научно-технической конференции посвященной 60-летию Лесоинженерного факультета Петрозаводского государственного университета Петрозаводск.: ПетрГУ, 2011. С. 8-10.

Про сим принять участие в работе диссертационного Совета Д.212.008.0! или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 163002, Архангельск, набережная Северной Двины 17 Северный (Арктический) федеральный университет.

Подписано в печать 16.11.2011

Формат 60 х 84

Печать трафаретная. Уч.-изд.л. 1,25. Усл.печ.л.1,25. Тираж 100 экз. Заказ 618

Отпечатано в издательстве ФГБОУ ВПО «БрГУ» 665709, Братск, ул. Макаренко, 40

61 12-5/1090

Братский государственный университет

На правах рукописи

ИВАНОВ Александр Викторович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕСОСЕЧНЫХ РАБОТ ДЛЯ УСЛОВИЙ ТРУДНОДОСТУПНЫХ ЛЕСОСЕК СЕВЕРОЗАПАДНОГО РЕГИОНА РФ

05.21.01. - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Григорьев И.В.

БРАТСК 2011 год

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

Глава 1. Состояние проблемы и задачи исследования 10

1.1. Технологии лесозаготовительных производств. Этапы разви- 10 тия научных исследований.

1.2. Основные понятия и определения, используемые в работе 17

1.3. Характеристика природно-производственных условий рас- 19 сматриваемых процессов лесосечных работ

1.3.1. Особенности рубок главного пользования в условиях холми- 19 сто-грядового рельефа

1.3.2. Лесные болота 23

1.4. Особенности технологии рубок леса в условиях труднодоступ- 27 ных лесосек

1.4.1. Особенности валки деревьев 27

1.4.2. Особенности трелевки 34

1.5. Воздействие техники и технологии на лесную среду и пути по- 63 вышения экологичности проведения лесосечных работ

1.6.Выводы по главе 1 76

1.7. Задачи исследования 77 Глава 2. Разработка новых технических решений для повышения 79 эффективности лесосечных работ в условиях труднодоступных лесосек

2.1. Разработка самоходной тыловой мачты мобильной канатной 80 трелевочной установки

2.1.1. Определение поперечной устойчивости самоходной тыловой 84 мачты на склоне

2.1.2. Определение упругости однопролетной канатной трелевоч- 86 ной установки с учетом смещения опор

2.2. Перспективная технология разработки труднодоступных лесо- 88 сек на базе мобильных канатных трелевочных установок

2.2.1. Обоснование угла перегиба несущего каната канатной треле- 90 вочной установки на поворотных опорах

2.3. Разработка канатно-рельсовой трелевочной установки для ус- 95 ловий заболоченных и переувлажненных лесосек

2.4. Разработка устройств предотвращающих перегруз лесовозного 98 транспорта и производящих автоматический учет лесоматериалов

2.5. Выводы по главе 2 103 Глава 3. Математическая модель уплотнения почвы лесосеки пач- 105 кой лесоматериалов при полуподвесной трелевке канатной трелевочной установкой

3.1. Постановка задачи 105

3.2. Эквивалентная расчетная схема воздействия комлей и вершин 106 почки на почву

3.3. Математическая модель уплотнения почвы комлями и верши- 110 нами пачки древесины

3.4. Математическая модель влияния высоты головной мачты ка- 116 натной трелевочной установки на уплотнение почвы пачкой лесоматериалов

3.5. Моделирование влияния пачки древесины на уплотнение поч- 120 вы при ее повороте

3.6. Выводы по главе 3 122 Глава 4. Методика и аппаратура экспериментальных исследований 124

4.1. Объекты, приборное обеспечение и условия проведения экспе- 125 риментальных исследований

4.2. Экспериментальные исследования влияния поворота пачки ле- 130 соматериалов на уплотнение почвы

4.3. Определение необходимого числа наблюдений и повторений 133 опыта

4.4. Выводы по главе 4 136 Глава 5. Результаты экспериментальных исследований 137

5.1. Натурные экспериментальные исследования уплотнения почвы 137 трелюемой пачкой древесины

5.2. Результаты лабораторных исследований 144

5.3. Выводы по главе 5 145 Глава 6. Экономическая оценка предложенных технологических 147 решений

7. Общие выводы и рекомендации 155

Литература 157

ВВЕДЕНИЕ

По данным Федерального агентства по лесному хозяйству на 2009 год, на территории Северо-Западного федерального округа (СЗФО) запас

спелых и перестойных лесонасаждений, возможных для эксплуатации, со-

■2

ставляет 3936,49 млн. м . Значительная часть этого запаса находится на территориях неудобных для проведения лесосечных работ по почвенно-грунтовым и рельефным условиям. К таким территориям относятся площади с переувлажненными и заболоченными почво-грунтами, а также площади относимые к холмисто-грядовым рельефам.

Традиционная система машин лесозаготовительных предприятий, базирующаяся на тяжелых, колесных или гусеничных, лесопромышленных тракторах и машин на их базе, не может обеспечить эффективного освоения таких труднодоступных лесосек, что, наряду со слаборазвитой дорожной сетью, приводит к тому, что использование расчетной лесосеки за 2009 год по СЗФО составляет в среднем 40,56%. Причем, наиболее низкие показатели приходятся на области имеющие наибольший процент заболоченных и переувлажненных участков, а также участков с пересеченным рельефом - это Республика Коми - 27,2%, Мурманская область - 12,5%; Псковская область - 31,7%.

Известно, что недоиспользование расчетной лесосеки приводит к накоплению перестойных древостоев, являющихся повышенным источником опасности лесных пожаров, а также возникновения очагов поражения вредителями и болезнями. Кроме этого, лесозаготовки и деревопереработка традиционно занимают значительный удельный вес в экономике субъектов СЗФО. Это позволяет утверждать, что невозможность проведения эффективных лесосечных работ существенно снижает экономическую отдачу от фазы лесозаготовок, и увеличивает себестоимость готовой продукции де-

ревопереработки из-за необходимости закупки сырья далеко за пределами региона, что увеличивает транспортную составляющую себестоимости.

В последние годы указанная проблема встала весьма остро, это связано^ во-первых, с повышением среднемесячных температур в зимнее время года, что привело к невозможности освоения лесосек на переувлажненных и заболоченных почвогрунтах, традиционно разрабатываемых в зимний период, во-вторых, с истощением запасов спелого леса в удобных для освоения лесных массивах - расположенных на равнинных сухих площадях.

Особо следует подчеркнуть экологический аспект проведения лесосечных работ в условиях заболоченных и переувлажненных почво-грунтов, а также холмисто-грядовых рельефов. Известно, что биогеоценозы на указанных площадях являются особо ранимыми и чувствительными к сильной экологической нагрузке, каковой, безусловно, являются лесосечные работы. Вместе с тем, первейшим требованием к лесопользованию является его неистощительность, а в перспективе и обязательное способствование расширенному воспроизводству лесных ресурсов - процессу непрерывного расширения производительной способности лесных биогеоценозов, задачей которого является получение через оборот рубки двух кубометров древесины там, где раньше был взят один [82].

На экосистему лесосеки существенное влияние оказывает не только способ и интенсивность рубки, но принятая система машин и режимы их работы. Многочисленные исследования отечественных и зарубежных ученых показывают, что движители лесозаготовительных машин, включая трелевочные тракторы, разрушают структуру почво-грунта лесосек, повреждают корневую систему оставляемых на корню деревьев, что в перспективе приводит водной и ветровой эрозии лесных почво-грунтов, развитию заболачивания, усыханию оставляемых на корню деревьев главных

пород, смене пород на малоценные - мягколиственные, и другим негативным, и, зачастую, необратимым процессам.

Вышесказанное показывает, что для повышения эксплуатационной и экологической эффективности лесозаготовительного производства в условиях труднодоступных лесосек необходимо использовать новые системы машин, и обосновать режимы их работы для получения возможности достижения экологического и экономического оптимумов показателей эффективности лесосечных работ.

В Перечень Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, утвержденного Президентом РФ 21 мая 2006 г. Пр-843, входит пункт «Рациональное природопользование», который имеет отношение и к экологической совместимости системы «система машин для лесосечных работ - лесная среда».

Вопросами влияния лесозаготовительных машин на лесные экосистемы занималась целая плеяда отечественных ученых, таких как проф. Г.М. Анисимов, проф. A.M. Кочнев, проф. В.М. Котиков, проф. И.В. Григорьев, проф. И.Р. Шегельман, проф. B.C. Сюнев, проф. В.А. Иванов, и др. В результате их научных работ получены зависимости, позволяющие прогнозировать изменения почво-грунта под воздействием движителей лесозаготовительных машин, в зависимости от их характеристик и режимов их работы. Вместе с тем, в упомянутых исследованиях, рассмотрены вопросы уплотнения почво-грунта только под воздействием распространенных лесозаготовительных машин, в основном трелевочных тракторов, и не исследованы вопросы экологической эффективности систем машин для разработки труднодоступных - заболоченных и пересеченных лесосек.

Цель работы. Повышение эффективности лесозаготовительного производства при проведении лесосечных работ в условиях труднодоступных лесосек за счет обоснования состава и режима работы системы машин, ис-

ходя из задачи снижения экологического ущерба и достижения максимальной производительности.

В работе предложена и исследована математическая модель уплотняющего воздействия пачки лесоматериалов на почву лесосеки при полуподвесной трелевке, предложен ряд оригинальных технических решений для проведения лесосечных работ в условиях труднодоступных лесосек, и методики расчета их основных параметров.

Краткая аннотация работы. В работе проведены теоретические исследования уплотнения почвы пачкой древесины при ее трелевке полуподвесной канатной трелевочной установкой и других показателей, которые позволили комплексно оценить пути повышения экологической эффективности проведения лесосечных работ в условиях труднодоступных лесосек.

Объект исследований. Почвогрунты лесосек.

Предмет исследования. Технологический процесс разработки труднодоступных лесосек, а также процесс уплотнения почвогрунтов лесосек под воздействием пачки древесины при полуподвесной трелевке.

Научная новизна работы. Разработка и исследование математической модели уплотняющего воздействия пачки древесины на почву лесосеки при полуподвесной трелевке, экспериментальные исследования процесса трелевки позволяют обосновать способ трелевки канатной трелевочной установкой в различных природных условиях с целью снижения уплотнения почвы лесосеки.

Значимость для теории и практики. Разработанная математическая модель воздействия трелюемой пачки лесоматериалов на почвы лесосек углубляют теорию экологической эффективности трелевочных систем, и технологии лесозаготовительного производства в экологической сфере. Предложенная методика позволяет разрабатывать организационные и технологические мероприятия освоения лесосек при разработке труднодос-

тупных лесосек, обеспечивающие снижение отрицательного воздействия на почву.

Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: применением методов математической статистики; проведением экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях и подтвержденной адекватностью полученных моделей за счет удовлетворительной сходимости экспериментальных и теоретических данных.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шесть глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы. Общий объем работы 172 с. Диссертационная работа содержит 55 рисунков, 15 таблиц. Список литературы содержит 159 источников. На защиту выносятся следующие положения:

• Математическая модель уплотнения почвы лесосеки пачкой лесоматериалов при ее трелевке полуподвесной канатной трелевочной установкой, как при ее прямолинейном движении, так и при поворотах трассы в плане, позволяющая оценивать уплотнение почвы в зависимости от числа пачек и их характеристик.

• Технические решения для проведения лесосечных работ в условиях труднодоступных лесосек.

• Результаты экспериментальных исследований уплотняющего воздействия пачки лесоматериалов на почву лесосеки при полуподвесной трелевке канатными трелевочными установками.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Технологии лесозаготовительных производств. Этапы развития

научных исследований.

Известно, что [1, 2, с. 1321] технология (от греческого 1есЬпе - мастерство, умение, искусство) - совокупность методов обработки, изменения состояния, формы, размеров, свойств, и месторасположения предмета труда в процессе производства продукции.

Технологией лесозаготовительных производств называется система знаний о способах и средствах выполнения на лесосеках, погрузочных пунктах и лесных складах ряда операций от валки леса до отгрузки его потребителю в требуемом виде [3].

Все технологические операции подразделяются на рабочие - измене-няют состояние, форму, размеры и свойства предмета труда; транспортные - - измененяют месторасположения предмета труда; смешанные - - измене-няют состояние, форму, размеры и свойства предмета труда при одновременном изменении его месторасположения [69].

В табл. 1.1 представлены наиболее распространенные технологические процессы всех трех групп лесосечных работ. Следует иметь в виду, что в группе технологических процессов с углубленной переработкой древесины теоретически возможно большее разнообразие получаемой продукции, однако в настоящее время эта группа процессов развита слабо и представлена на уровне современного развития.

и

Таблица 1.1

Технологические процессы лесосечных работ [37]

Группа № тех Операции вы- Вид Операции вы- Вид вы-

про- полняемые на тре- полняемы на возимо-

цесса лесосеке люемого леса верхнем складе го леса

1 В-Фп д П д

Хлыстовая 2 В-Фп д Ос-П X

3 В-Ос-Фп X П X

4 В-Ос-Фп X Р-П с

Сорти- 5 В-Фп д Ос-Р-П с

ментная 6 В-Ос-Р-Фп с П с

7 В-Ос-Р-Фп-П - - с

С углуб- 8 В-Фп д Ос-Р-Пр-П Пм

ленной 9 В-Ос-Р-Фп с Пр-П Пм

перера- 10 В-Ос-Р-Фп с Ок-Рщ-П Щтех

боткой Рщ поруб ОСТ-П - - Щтоп

Условные обозначения: В - валка деревьев; Ос - очистка деревьев от сучьев; Р - раскряжевка; Фп - формирование пакета; П - погрузка на лесовозный транспорт; Пр -продольная распиловка; Ок - окорка; Рщ - рубка в щепу; Д - деревья; X - хлысты; С -сортименты; Щтех - щепа технологическая; Щтоп - щепа топливная.

Хлыстовая технология заготовки леса является наиболее распространенной в Российской Федерации в настоящее время, на нее приходится около 80 % всего заготовляемого леса, а в США и Канаде более 85%.

Технологический процесс № 1. достоинства: позволяет свести к минимуму число операций выполняемых на лесосеке и перенести их выполнение на более производительное стационарное оборудование лесопромышленных складов различного назначения и принадлежности, умень-

шить трудозатраты на очистку лесосек и использовать компоненты кроны для производства полезной продукции (топливной и технологической щепы, арболита, хвойно-витаминной муки, и пр.). Недостатки: при трелевке деревьев, труднее сохранить подрост и предотвратить повреждения оставляемых на корню деревьев, современная лесоводственная наука считает нежелательным вывоз порубочных остатков с территории лесосеки в связи с обеднением лесной почвы т.к. в порубочных остатках и ассимиляционном аппарате содержится более 75% всех минеральных веществ содержащихся в дереве [82], при вывозке деревьев уменьшается использование полезной грузоподъемности лесовозного транспорта из-за низкого коэффициента полнодревесности пакета [3], на большинстве производственных площадок лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятий отсутствуют технические и технологические возможности эффективной переработки кроновой части деревьев.

Технологический процесс № 2. Достоинства: позволяет сконцентрировать порубочные остатки на территории верхнего склада, что уменьшает трудозатраты на очистку лесосеки, появляются условия для применения высокопроизводительных мобильных сучкорезных машин, лучше используется грузоподъемность лесовозного транспорта. Недостатки: трелевка деревьями, увеличение числа операций выполняемых в лесу.

Технологический процесс № 3. Достоинства: трелевка хлыстов позволяет уменьшить степень повреждаемости подроста и оставляемых на корню деревьев, появляется возможность использования порубочных остатков для укрепления трелевочных волоков при слабой несущей способности грунтов. Недостатки: часто увеличиваются затраты на последующую очистку территории лесосеки, затруднено и обычно невозможно последующее применение порубочных остатков для производства полезной продукции.

Сортиментная технология заготовки леса наиболее предпочтительна для небольших лесозаготовительных фирм, не имеющих своих лесоперерабатывающих площадок, и торгующих древесиной «с колес». Кроме того, она рекомендуется при невозможности использования хлыстовой вывозки леса, например при малых радиусах поворота лесовозной дороги [3, 37].

Технологический процесс № 4. При такой технологической схеме р