Средощадящие технологии разработки лесосек в условиях Северо-Западного региона Российской Федерации: Монография

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия имени С.М. Кирова» И.В. Григорьев доктор технических наук, доцент А.И. Жукова кандидат технических наук О.И. Григорьева кандидат сельскохозяйственных наук А.В. Иванов инженер

СРЕДОЩАДЯЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ЛЕСОСЕК В УСЛОВИЯХ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО РЕГИОНА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Санкт-Петербург 2008

Рассмотрено и рекомендовано на заседании Научно-методического совета Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С.М. Кирова «23» октября 2008 г. УДК 630*372 Григорьев И.В., Жукова А.И., Григорьева О.И., Иванов А.В. Средощадящие технологии разработки лесосек в условиях Северо-Западного региона Российской Федерации, СПб.: ЛТА, 2008. 174 с. В монографии разработана координатно-объемная методика трассирования путей первичного транспорта леса, в различных природно-производственных условиях. Разработана и исследована математическая модель, лимитирующая число проходов трелевочных систем по одному следу, исходя из условия улучшения лесной почвы. Обоснованы принципы сохранения выделяемых ключевых биотопов на лесосеке. Рассмотрены вопросы сохранения подроста главных пород. Приведены результаты исследований по динамическому воздействию движителей лесозаготовительных машин на почво-грунты лесосек. Даны рекомендации по выбору систем машин и технологий разработки труднодоступных лесосек. Часть материалов получена при выполнении НИР по грантам в форме совместного финансирования Министерства образования РФ и Правительства СанктПетербурга на тему «Обоснование способа трелевки и параметров трелевочных систем на базе различных типов трелевочных тракторов, для наиболее распространенных природно-производственных условий РФ» - 2003 г., «Разработка системы машин и технологии лесосечных работ ориентированной на последующее естественное лесовозобновление» - 2004 г.; грантам Правительства Санкт-Петербурга «Разработка технических и технологических средств оптимизации технологической и экологической эффективности проведения сплошных рубок главного пользования лесом» - 2005 г., «Разработка научно-методических основ снижения экологического ущерба от переуплотнения и разрушения лесных почв при эксплуатации лесозаготовительных машин» - 2008 г.; а также Гранту Президента РФ «Повышение эффективности сплошных рубок главного пользования лесом» (МК-2068.2005.5) 2005-2006 гг. Предназначено для инженерно-технических и научных работников лесного комплекса, студентов специальности 250401 «Лесоинженерное дело», бакалавров и магистров направления 250300 «Технология и оборудование лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств», аспирантов специальности 05.21.01 «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства». Библиогр. 141 назв. Табл. 13. Ил. 74. © Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия имени С.М. Кирова (СПб ГЛТА), 2008 © И.В. Григорьев, А.И. Жукова, О.И. Григорьева, А.В. Иванов

2

ВВЕДЕНИЕ Центральной задачей лесного комплекса всегда было сохранение, приумножение и эффективное использование лесных богатств в интересах человека, общества и государства. Развитие отраслевой науки и практические действия предприятий всех основных и обслуживающих подотраслей должны быть направлены на создание «эффективной системы использования природных ресурсов». Именно это требование содержалось в одном из посланий Президента Российской Федерации В.В. Путина Федеральному Собранию. Оно конкретизировано и развито в Концепциях развития лесного хозяйства и лесопромышленного комплекса, одобренных Правительством России. Это же требование красной нитью проходит через Экологическую доктрину Российской Федерации (одобренную распоряжением Правительства Российской Федерации от 31 августа 2002 г. № 1225-р) и концепцию устойчивого управления лесами Российской Федерации. Основным требованием, предъявляемым 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. Для выполнения этого требования в статью 90 «Обязанности лесопользователей по воспроизводству лесов» Лесного Кодекса РФ включено требование: «… лесопользователи обязаны соблюдать требования к сохранению оптимальных условий для воспроизводства лесов. Эти требования должны учитываться при разработке новой техники для заготовки и трелевки древесины». В Перечень критических технологий Российской Федерации утвержденный Президентом РФ 30 марта 2002 г. Пр-578 включен пункт «Переработка и воспроизводство лесных ресурсов», а в Приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации утвержденный Президентом РФ 30 марта 2002 г. Пр-577 включено направление «Экология и рациональное природопользование». Все вышесказанное позволяет утверждать, что проблема повышения эксплуатационной эффективности рубок главного пользования лесом при одновременном обеспечении наиболее оптимальных условий для лесовозобновления является весьма актуальной. Известно, что, помимо типа леса предшествующей генерации, от применяемой на лесозаготовках техники и в особенности технологии напрямую зависит тип вырубки образующейся на месте проведения лесосечных работ. От типа вырубки, в свою очередь, напрямую зависит как срок

3

лесовозобновления, так и тип образующегося на месте вырубки леса, а, следовательно, его породные и качественные показатели. Известны два пути преодоления противоречий между экологией леса, его возобновлением с одной стороны и лесозаготовительной техникой и технологией – с другой: это, во-первых, разработка технологий лесосечных работ, соответствующих применяемым лесозаготовительным машинам и в то же время предусматривающих возможно минимальное нанесение повреждений лесу и его составным частям – самосеву, подросту, оставляемым на корню деревьям, почве и пр.; во-вторых, разработка новых лесозаготовительных машин, отвечающих требованиям лесозаготовительного производства и лесоводства, т.е. таких, которые не снижали бы продуктивность леса и его способность к возобновлению. Наиболее экономически эффективным признан первый путь, поскольку не представляется возможным создать серийный ряд машин для всех возможных природно-производственных условий. Цель данной работы состоит в обосновании путей повышения эксплуатационной и экологической эффективности проведения рубок главного пользования лесом, путем обоснования трасс, режимов работы и вида первичного транспорта леса, обеспечивающих устойчивое естественное лесовозобновление.

4

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 1.1 Современное состояние развития технологии и оборудования лесосечных работ 1.1.1 Современные технологические процессы лесосечных работ Известно, что [1, 2, с. 1321] технология (от греческого techne – 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 можно подразделить на три большие группы [5]: рабочие – в результате которых изменяются размеры, формы и свойства предмета труда (срезание дерева, раскряжевка на сортименты, пропитка антисептиками и антипиренами и др.); переместительные – в результате которых изменяется месторасположение предмета труда (трелевка древесины, погрузка и выгрузка, перемещение между станками и оборудованием в технологическом потоке); смешанные – в результате которых одновременно происходит обработка и перемещение предмета труда (очистка деревьев от сучьев при помощи мобильных и стационарных сучкорезных машин, окорка кряжей и др.). На лесосечных работах технологические операции выполняются на лесосеке и на погрузочном пункте (верхнем складе). В зависимости от набора технологических операций, места их выполнения и вида продукции, вывозимого с лесосеки, технологические процессы лесосечных работ можно подразделить на три основные группы: хлыстовую технологию, сортиментную технологию и технологию с углубленной переработкой древесины [4]. 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.

5

Таблица 1.1 Технологические процессы лесосечных работ Группа № тех Операции выВид Операции выВид выпрополняемые на треполняемы на возимоцесса лесосеке люемо- верхнем складе го леса го леса 1 В-Фп Д П Д Хлыстовая 2 В-Фп Д Ос-П Х 3 В-Ос-Фп Х П Х 4 В-Ос-Фп Х Р-П С 5 В-Фп Д Ос-Р-П С Сортиментная 6 В-Ос-Р-Фп С П С 7 В-Ос-Р-Фп-П С 8 В-Фп Д Ос-Р-Пр-П Пм С углуб9 В-Ос-Р-Фп С Пр-П Пм ленной перера10 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; Х – 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 нижних складов и бирж сырья лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятий, уменьшить трудозатраты на очистку лесосек и использовать сучья, вершины и ассимиляционный аппарат деревьев (хвоя и листья) на производство 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 [6], 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 [7], при вывозке деревьев уменьшается использование полезной грузоподъемности лесовоз6

ного транспорта из-за низкого коэффициента полнодревесности пакета [3], на большинстве производственных площадок лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятий отсутствуют технические и технологические возможности переработки порубочных остатков [8]. Технологический процесс № 2 Достоинства: позволяет сконцентрировать порубочные остатки на территории верхнего склада, что уменьшает трудозатраты на очистку лесосеки, улучшаются условия для применения высокопроизводительных мобильных сучкорезных машин [9, 10], 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 [11]. Недостатки: 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]. Технологический процесс № 4 При такой технологической схеме работы по валке деревьев, очистке их от сучьев и раскряжевке обычно выполняются при помощи ручного моторного инструмента – бензиномоторных пил. Подобная технология распространена на несплошных рубках, при отсутствии у предприятия высокопроизводительных многооперационных машин, позволяет использовать порубочные остатки для укрепления трелевочных волоков и вывозить с лесосеки готовую продукцию, если предприятие торгует круглым лесом. Основным недостатком является большая доля ручного труда на лесосечных работах. Технологический процесс № 5 Имеет недостатки связанные с трелевкой леса деревьями, но позволяет использовать на верхнем складе многооперационные сучкорезнораскряжевочные машины (также называемые процессорами). Технологические процессы № 6 и 7

7

Являются классическим примером так называемой «скандинавской» технологии заготовки леса. На валке леса используются либо бензиномоторные пилы, тогда на очистке деревьев от сучьев и раскряжевке используются процессоры, либо валочно-сучкорезно-раскряжевочные машины (также называемые харвестеры). Хотя иногда все технологические операции выполняются при помощи бензиномоторной пилы. На трелевке используются сортиментоподборщики (также называемые форвардеры) с колесным или гусеничным движителем. Технологический процесс № 7 предусматривает так называемую «прямую вывозку леса», т.е. без выделения специальной операции трелевки и перегрузки на лесовозный транспорт. Работа по такой схеме будет эффективной при небольшом расстоянии вывозки (до 40 км) и использовании в качества транспорта леса только колесных форвардеров. Так работают в основном в скандинавских и европейских странах, где расстояния вывозки обычно невелики. Технологию с углубленной переработкой древесины можно признать весьма перспективной, ее развитие в настоящее время сдерживается отсутствием недорогой и эффективной техники способной перерабатывать заготовляемую древесину на щепу и пиломатериалы в условиях лесосеки. Разработка такой техники находится сейчас на стадии проектирования и экспериментальных исследований. Технологические процессы № 8 и 9 предусматривают проведение на лесосеке и погрузочном пункте всех технологических операций по выработке пиломатериалов. В настоящий момент применяется, в основном, в мелких частных лесовладениях за рубежом. Основным технологическим инструментом является бензиномоторная пила и специальные приспособления к ней, рубка осуществляется на прииск. На современный момент такая технология заготовки не получила промышленного распространения в связи с отсутствием высокопроизводительной техники способной производить продольную распиловку круглых лесоматериалов в условиях лесосеки. Технологический процесс № 10 позволяет получать на лесосеке технологическую и топливную щепу. Весьма перспективен в условиях плантационного лесовыращивания. Однако, на современном этапе развития лесопромышленного комплекса получение технологической щепы в условиях лесосеки затруднено из-за отсутствия машин способных производить качественную окорку в данных условиях. Получение топливной щепы из порубочных остатков в условиях лесосеки активно внедряется в технологический процесс лесозаготовок в последние годы.

8

1.1.2 Современные системы машин для лесосечных работ В настоящее время в мире существуют две различные концепции лесопользования [12]. Первая, традиционная модель, также называемая доминантная, согласно которой все леса лесного фонда подразделяются на группы в соответствии с их экономическим, экологическим и социальным значением, месторасположением и выполняемыми функциями. В РФ используется именно эта модель, законодательно закрепленная в Лесном кодексе, согласно которому все леса лесного фонда разделены на три группы. В большинстве стран также используются схожие системы. Считается, что такая модель плохо отвечает природе леса и имеет под собой скорее экономические, нежели экологические основания. В противовес доминантной модели лесопользования в последние десятилетия за рубежом активно развивается и используется так называемая многоцелевая концепция лесопользования, которая подразумевает одновременное использование леса для различных, часто противоположных целей, например, проведение рубок главного пользования в охранных и рекреационных зонах. Считается, что такая модель более соответствует природе леса как взаимосвязанной совокупности растительных и животных форм жизни. Вместе с тем, такой подход к лесопользованию значительно удорожает готовую продукцию лесосечных работ, поскольку в данном случае практически исключается возможность проведения сплошных рубок. Такая экоцентричная модель лесопользования пока применяется только в странах, не ориентированных на преимущественно эксплуатационное пользование лесом. В настоящее время широко декларируется переход России к неистощительному лесопользованию и устойчивому управлению лесами, целью которого является повышение экологического и ресурсного потенциала лесов, удовлетворение потребностей общества в лесных ресурсах на основе научно обоснованного рационального, многоцелевого лесопользования, охраны, защиты, воспроизводства и сохранения биологического разнообразия лесов. Для достижения поставленной цели требуется, чтобы техника и технологии лесосечных работ удовлетворяли как экономическим интересам лесозаготовителей, так и требованиям скорейшего, качественного лесовозобновления. Известны два пути преодоления противоречий между экологией леса [13], его возобновлением с одной стороны и лесозаготовительной техникой и технологией – с другой: это, во-первых, разработка технологий лесосечных работ, соответствующих применяемым лесозаготовительным машинам и в то же время предусматривающих возможно минимальное нанесение повреждений лесным экосистемам; во-вторых, разработка новых лесозаготовительных машин, отвечающих требованиям лесозаготовительного производства и лесоводства, т.е. Таких, которые не снижали бы про9

дуктивность леса и его способность к возобновлению. Наиболее экономически эффективным признан первый путь, поскольку не представляется возможным создать серийный ряд машин для всех возможных природнопроизводственных условий. Вместе с тем, следует отметить, что рациональная компоновка системы машин позволяет лесопользователям оптимизировать не только эксплуатационные, но и экологические показатели своей деятельности. В это связи представляется целесообразным вкратце рассмотреть существующие и перспективные машины и оборудование для проведения основных лесосечных работ, поскольку без учета применяемого оборудования невозможно совершенствование технологии. Рациональный выбор системы машин для эффективного проведения лесосечных работ зависит, прежде всего, от принятого технологического процесса, а также от финансовых возможностей предприятия. Под системой машин понимается совокупность машин и оборудования различного функционального назначения, взаимоувязанных по техническим и технологическим параметрам и предназначенных для последовательного выполнения технологического процесса лесосечных работ [15]. Одной из наиболее эффективных форм организации работы систем машин являются комплексы (комплекты). Комплекс (комплект) формируется для эффективного функционирования системы машин в конкретных природно-производственных условиях и характеризуется видом и количеством машин каждого типа, последовательностью их расстановки, а также наличием и типом технологических связей между ними. В настоящее время отечественные и зарубежные производители предлагают лесозаготовительным предприятиям широкий спектр машин и механизмов для лесосечных работ. К основным требованиям, предъявляемым к указанной технике, можно отнести: соответствие параметров и конструкции машины назначению и условиям применения; обеспечение минимальной энергоемкости процессов выполнения технологических операций; обеспечение минимальных нагрузок, воспринимаемых машиной и технологическим оборудованием; минимальные масса и габаритные размеры конструкции; простота устройства, прочность и надежность конструкции; унификация и универсальность машин; износостойкость рабочих органов; минимальные затраты на обслуживание и ремонт. На валке деревьев при проведении рубок главного пользования и рубок ухода за лесом, как в нашей стране, так и за рубежом, часто используются бензиномоторные пилы (механизированная валка). По расчетам отечественных экономистов и технологов бензиномоторные пилы в ближайшие два десятилетия будут выгодны на лесозаготовках в РФ, как с эконо10

мической, так и с экологической точки зрения [16]. При механизированной заготовке леса могут использоваться как универсальные (с низким расположением рукоятей), так и специализированные (с высоким расположением рукоятей) бензиномоторные пилы. Следует отметить, что с точки зрения эргономики процесса предпочтительной представляется компоновка специализированных пил. Впервые такая компоновка бензиномоторной пилы, получившая название «Дружба», была представлена отечественными производителями на международной промышленной выставке в Брюсселе (1957 г.) И за оригинальность разработки завоевала большую золотую медаль. На сегодняшний день крупнейшим отечественным производителем бензиномоторных пил является Пермский ФГУП «Машиностроительный завод им. Ф.Э. Дзержинского» выпускающий наиболее известные отечественные марки специализированных (Дружба, Урал) и универсальных (Тайга, Крона) пил. Однако, известно, что пока большим спросом у потребителей пользуются пилы известных иностранных производителей, таких как Хускварна, Штиль и др., причем, сборка этих пил производится как за рубежом, так и в РФ, например ЗАО «Химки-Хускварна». Это во многом связано с несовершенством пильных аппаратов отечественных пил (и в особенности пильных цепей), а также слабой маркетинговой кампанией по продвижению на рынок новых модификаций отечественных пил. Известно, что основным способом повышения экономической эффективности проведения лесосечных работ является внедрение специализированных лесозаготовительных машин, способных выполнять валку деревьев и ряд смежных технологических операций. Все лесозаготовительные машины можно классифицировать по следующему ряду признаков: вид движителя - гусеничные, колесные, шагающие; число выполняемых технологических операций - одно и многооперационные; вид выполняемых технологических операций - валочные (ВМ), валочно-трелевочные (ВТМ), валочно-пакетирующие (ВПМ), валочно-сучкорезнораскряжевочные (ВСРМ), также называемые харвестерами, валочносучкорезные; валочно-сучкорезно-трелевочные (ВСТМ); сучкорезнораскряжевочные (МОСР), также называемые процессорами; по ширине обрабатываемой полосы лес - узкозахватные (без гидроманипулятора), широкозахватные (с гидроманипулятором); по направлению действия технологического оборудования - фланговые, фронтальные, полноповоротные. Первой серийной отечественной машиной появившейся на лесосечных работах и способной производить направленную валку деревьев была гусеничная, узкозахватная валочная машина флангового действия ВМ-4 (на базе трактора ТТ-4), производства Абаканского машиностроительного 11

завода. Эта машина, безусловно, позволяла облегчить труд лесозаготовителей, заменяя трудоемкую и травмоопасную операцию механизированной валки на машинную. Однако, она имела и целый ряд существенных недостатков: отсутствие гидроманипулятора (узкозахватность) приводили к тому, что при производстве работ машина была вынуждена подъезжать к каждому дереву, что делало практически невозможным сохранение подроста и увеличивало время рабочего цикла. В результате эксплуатации этих машин было выявлено, что вследствие небольшой энергоемкости процесса валки деревьев экономический эффект от применения валочных машин в чистом виде был крайне незначительным, а с учетом экологических последствий часто отрицательным. Эти машины не могли существенно повысить производительность труда, а себестоимость заготовки леса с их помощью значительно выше, чем при применении бензиномоторных пил. В настоящее время в РФ выпускается одна машина подобной компоновки универсальная малогабаритная валочная машина ВМ-55, предназначенная для срезания и направленного повала деревьев при проведении рубок леса, разработки просек при строительстве дорог, линий связи и электропередач, трасс нефте- и газопроводов, очистке территорий от лесной растительности. Опыт эксплуатации валочных машин показал, что, с точки зрения эксплуатационной эффективности, необходимо стремиться к возможно более полной загрузке двигателя путем совмещения машиной нескольких технологических операций [14]. До снятия машин ВМ-4 с серийного производства на ее базе была создана первая в СССР валочно-трелевочная машина ВМ-4А, в настоящее время ВМ-4Б. У самой концепции валочнотрелевочных машин имеется серьезное преимущество, связанное с отсутствием необходимости в специальной трелевочной технике при разработке лесосек, особенно в условиях низкой концентрации лесосечного фонда. Привлечение большого количества техники на разработку лесосек в этих условия нецелесообразно, в связи с большими затратами на частые перебазировки. В связи с такого рода преимуществами в дальнейшем отечественная машиностроительная промышленность освоила выпуск широкозахватных валочно-трелевочных машин ЛП-17 и ЛП-49, созданных соответственно на базе тракторов ТДТ-55А и ТТ-4. Как и базовые тракторы эти машины предназначены для работы в насаждениях со средним объемом хлыста соответственно до 0,4 м3 и более 0,4 м3.Сравнительно недавно на рынке появилась ВТМ ЛП-58, выпускаемая ООО Машиностроительный завод «Коммунар». Вместе с тем, практика применения машин подобной компоновки также показала [14], что если освободить ВТМ от операции по трелевке древесины и превратить ее, таким образом, в валочнопакетирующую машину, можно не только вдвое поднять ее производи12

тельность, но и удлинить срок службы режуще-валочных аппаратов, которые, в таком случае, не будут в течение полусмены перевозиться на транспортных скоростях, а будут полностью загружены по прямому назначению. Это подтвердило мнение о целесообразности, в большинстве случаев, отделения трелевки древесины в самостоятельную операцию. В настоящее время в РФ выпускается широкий ассортимент ВПМ, это известная машина ЛП-19 и ее модификации, ЛП60-01А, ТЛГ 3-12, МЛ135, МЛ-119А. Принцип компоновки этих машин позволяет достигать хороших показателей по производительности и эффективности лесосечных работ. Опыт эксплуатации современных ВПМ и исследования отечественных ученых [17] позволили установить, что основными путями их дальнейшего совершенствования и повышения производительности являются: введение накопителя в захватно-срезающее устройство и придание ему еще одной степени свободы относительно манипулятора; совершенствование системы автоматизации управления, позволяющее значительно разгрузить оператора и снизить его утомляемость. Лесозаготовительные предприятия, использующие на лесосечных работах ВПМ или ВТМ, обычно предпочитают технику отечественного производства, поскольку она не уступает по производительности лучшим зарубежным аналогам, при существенно меньшей цене, хотя и менее надежна в эксплуатации, что связано с устаревшими методами расчета конструкций, ограниченным сортаментом сталей и чугунов, а также несовершенством технологий используемых заводами изготовителями [17]. Придание ВПМ или ВТМ дополнительных функций, таких как обрезка сучьев и раскряжевка, усложняет конструкцию машины, повышает ее стоимость и целесообразно только при сортиментной технологии. Следует отметить зарубежный опыт по разработке и производству ВПМ (манипуляторных и безманипуляторных). Например, фирма «Джон Дир» (США) выпускает колесные безманипуляторные ВПМ фронтального типа, такие как 643G, 653 E, 843 G. Среди зарубежных ВПМ манипуляторного типа следует отметить машины фирмы «FMG Timberjack». Отличительной особенностью этих машин является наличие наклонного механизма для работы на склонах и накопителя деревьев. Сортиментная технология заготовки древесины имеет, пока, незначительный вес в мире. Производство сортиментов может осуществляться, как у пня, так и на верхнем складе, с использованием на рабочих операциях (валки, обрезки сучьев и раскряжевки) как бензиномоторных пил, так и специальных машин – харвестеров и процессоров. Следует отметить, что в настоящее время на долю указанных машин приходится достаточно малый процент от общего объема заготовки, как в мире в целом, так и в России. Это связано с очень высокой стоимостью таких машин и запасных частей к 13

ним, сложностью подбора квалифицированного персонала и малой пригодностью машин для природно-производственных условий большого числа регионов РФ. В этой связи отечественное лесное машиностроение никогда не было законодателем моды на такие машины, разрабатываемые, в основном в скандинавских странах. Основными фирмами - производителями машин для заготовки сортиментов являются скандинавские концерны «Раума» («Тимберджек»), «Партек Форест» («Валмет») и их филиалы. В зависимости от конструкции технологического оборудования харвестеры подразделяют на однозахватные и двухзахватные. В настоящее время наибольшее распространение имеют однозахватные харвестеры Валмет 901, 911, 921; Тимберджек 770, 870В, 1070, 1270 и их модификации. На сегодняшний день отечественные производители выпускают харвестеры: ЛП-19с харвестерной головкой SP-650, МЛ-152, МЛ-72, и др., а наиболее известным отечественным процессором является ЛО-120, выпускаемая на базе сучкорезной машины ЛП-30Г. Широкому распространению в РФ таких машин, при всех достоинствах сортиментной технологии, препятствуют их высокая стоимость и отсутствие квалифицированного персонала [16]. Для крупных лесозаготовительных предприятий, имеющих свои стационарные разделочные площадки, в большинстве случаев, более выгодна хлыстовая заготовка, позволяющая переносить раскряжевку на более производительное стационарное оборудование, осуществлять индивидуальный метод раскроя, повышая процент выхода деловой древесины, и более комплексно утилизовать заготовляемую фитомассу. Мелкие лесозаготовительные фирмы, не имеющие собственных разделочных площадок и торгующие древесиной «с колес», будут осуществлять заготовку сортиментов при помощи бензиномоторных пил, поскольку малые объемы и сезонность заготовки чрезвычайно удлинят срок окупаемости дорогих машин. По этим же причинам, представляется сомнительным широкое внедрение в отечественную практику лесосечных работ лесных комбайнов, совмещающих в себе функции харвестеров и форвардеров, так называемых харвардеров. Известно, что одной из наиболее трудо- и энергоемкой операцией лесосечных работ является трелевка, которая также имеет наиболее серьезные последствия для почвы лесосеки и условий лесовозобновления. Наиболее распространенной в настоящее время является тракторная трелевка пачек хлыстов или деревьев в полупогруженном положении, осуществляемая специальными трелевочными тракторами с канатно-чокерным или бесчокерным технологическим оборудованием. Трелевочные тракторы с пачковыми или клещевыми захватами осуществляют трелевку пачек деревьев или хлыстов в полуподвешенном положении. Тракторная трелевка 14

сортиментов осуществляется сортиментовозами (форвардерами) в полностью погруженном положении. Вопросам экологической и эксплуатационной эффективности использования трелевочных тракторов посвящено большое количество фундаментальных трудов, среди которых можно выделить работы проф. Анисимова Г.М. [18, 19] устанавливающие магистральные направления развития техники для этой важнейшей составляющей лесосечных работ. Отечественные производители выпускают большой ряд трелевочных тракторов: чокерные, это как наиболее известные ТДТ-55А, ТЛТ-100А, ТТ-4, ТТ-4М, так и недавно появившиеся МТ-5 и МЛ-138; бесчокерные ТБ-1, ТБ-1М-15, ЛП-18А, ЛП-18Д и МЛ-107; с пачковым захватом ЛТ154А, ЛТ-187, ЛТ-230, МЛ-136, МЛ-137, МЛ-56, ТЛК4-01; форвардеры ТБ-1-16, ЛТ-189, МЛ-72-01, МЛ-74, МЛ-104, МЛ-131, МЛ-142, ШЛК6-04, ТЛ-60Ф-4. Безусловно, каждая группа тракторов имеет как общие, так и специфические возможности совершенствования. В последнее время лесную технику начали выпускать предприятия ранее этим не занимавшиеся, в результате появляются машины, спроектированные без учета лесной специфики и не отвечающие производственным требованиям по эксплуатационной эффективности и экологической совместимости системы «машина – лесная среда». За рубежом выпускаются все виды трелевочных тракторов, из наиболее известных производителей можно выделить фирмы Катерпиллер, Валмет, Тимберджек, Понссе. Следует отметить, что зарубежные лесозаготовительные машины отличаются повышенной комфортностью управления. В последнее время, к сожалению, уделяется мало внимания технике для разработки труднодоступных лесосек, находящихся в пересеченной или заболоченной местности. Эта проблема весьма актуальна, поскольку в силу географических и экономических причин доля доступных для эксплуатации лесов не превышает 50% от общей площади покрытых лесной растительностью земель РФ. В первую очередь это касается специальных средств первичного транспорта леса, таких как канатные трелевочные установки и средства для воздушной трелевки. Отечественная промышленность выпускает самоходные канатные трелевочные установки МЛ-139 и МЛ-43А, из зарубежных производителей следует отметить фирму «Larix». Перспективной представляется разрабатываемая в РФ технология трелевки древесины, основанная на применении аэростатов. Традиционно, отечественное лесное машиностроение удовлетворяло запросы лесозаготовителей в части надежных и эффективных сучкорезных машин и погрузчиков. В настоящее время на отечественном рынке представлены машины марок ЛП-30Г, ЛП-33А, ЛП-33Б с качающейся поворот15

ной стрелой, и сравнительно новые машины с гусеничным или вальцовым протаскивающим механизмом постоянного действия и подающим гидроманипулятором – СМ-33 и ЛП-51, на базе этих машин несложно организовать выпуск процессоров, если на них появится повышенный спрос, примером такой модернизации является ЛО-120 производства Сыктывкарского машиностроительного завода. Погрузка хлыстов на лесовозный транспорт в большинстве случаев производится при помощи погрузчиков перекидного типа, которые представлены следующими моделями: ЛТ-188, ЛТ-65Б, ПЛ-1Г и ПЛ-1В, перспективным представляется использование, в определенных случаях, сменных погрузочных рабочих органов грейферного типа к ВПМ. Погрузка сортиментов обычно осуществляется методом самопогрузки лесовозами с гидроманипуляторами, иногда таким же образом производится и погрузка хлыстов. 1.2 Воздействие техники и технологии на лесную среду и пути повышения экологичности проведения основных работ Известно, что лес является источником многих полезностей, основными из которых является древесина, фитомасса ассимиляционного аппарата деревьев, а также экологическая составляющая лесов. Для заготовки древесины и ассимиляционного аппарата лес подвергают рубкам, которые подразделяются на рубки главного пользования и рубки ухода за лесом [20]. Основной задачей первых, проводимых в спелом лесу, является заготовка древесины, вторых, проводимых в неспелом лесу, – улучшение породного и качественного состава будущего леса. Заготавливаемая при всех видах рубок древесина является одним из немногих возобновляемых видов природных ресурсов, представляющих ценнейшее сырье для многих видов промышленности и находящих практически неограниченный рынок сбыта, как в нашей стране, так и за рубежом. Последнее обстоятельство позволяет привлекать в Российскую Федерацию необходимые валютные ресурсы, в количествах хотя и меньших, нежели от экспорта нефти и газа, но, при грамотном пользовании лесом, не ограниченных во временной перспективе. Для спасения варварски вырубаемых тропических лесов, международным сообществом введена сертификация импортируемой из этого региона древесины. Задача выдаваемого международной комиссией сертификата – удостоверить потребителя, что купленная им древесина заготовлена без нанесения чрезмерного вреда окружающей среде и, в особенности, лесам. 16

Основным требованием, предъявляемым 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. То есть, можно обоснованно говорить о том, что эффективность технологического процесса рубок главного пользования лесом заключается не только в сиюминутных экономических выгодах от заготовки и реализации древесины, но и в сокращении оборота рубки хозяйственно ценных древесных пород, а также поддержании прочих полезностей леса [21]. В связи с переходом на международные стандарты ведения лесного хозяйства возникают новые требования к поддержанию экологических ценностей леса. Выполнение этих требований является обязательным для лесозаготовительных предприятий собирающихся проходить процедуру получения сертификата добровольной лесной сертификации. Сложная, многообразная проблема взаимодействия лесозаготовительной техники и технологии ее работы с лесной средой изучалась большой плеядой отечественных и зарубежных ученых. Априори можно утверждать, что изучаемая проблема может быть разделена на две основные составляющие: воздействие на лесные почвогрунты и воздействие на оставляемые и будущие биотические компоненты насаждения. 1.2.1 Воздействие лесозаготовительной техники и технологии на лесные почвогрунты Почва - это гетерогенная многофазная дисперсная система с определенными верхней (как правило, - это дневная поверхность) и нижней (на границе с подстилающей породой) границами, обладающая свойствами аккумулировать и выделять, проводить и трансформировать вещества и энергию [2, c. 1044]. Важнейшим свойством почвы для биосферы всей планеты является ее плодородие – совокупность свойств почвы (содержание гумуса, доступных для растений питательных веществ, влаги и др.) обеспечивающая рост и развитие растений. Различают потенциальное (естественное) и искусственное плодородие (приобретенное после воздействия человека) [2, c. 1011]. Понятно, что для лесной среды, являющейся самой производительной на планете биологической системой [22], почвенное плодородие является первостепенным фактором, влияющим на успешность ее развития, как в пространстве, так и во времени. Одним из основных факторов, влияющих на почвенное плодородие являются физические свойства почвы [23, 24]. Физические свойства почвы 17

разделяются на основные (плотность, пористость, пластичность, липкость, связность, твердость, спелость) и функциональные (водные, воздушные и тепловые) [25, 26]. К последним относят способность поглощать (впитывать) выпадающие осадки или оросительную воду, пропускать, сохранять или удерживать ее, подавать из глубоких горизонтов к поверхности, снабжать ею растения и т.д. Вода значительно изменяет физические, химические, тепловые и воздушные свойства почвы. Физические свойства почвы, тесно связанные с другими ее свойствами, изменяются в соответствии с ходом почвообразования, а с изменением свойств изменяется и почвообразование [27, 28]. Авторами [103] установлено, что после сплошной рубки леса происходят три различных вида уплотнений: физическое, вторичное и экологическое. Первые два вида уплотнения почвы происходят в колее. Физическое уплотнение – одномоментное, происходит во время непосредственного воздействия машин. Оно распространяется на глубину до 40…50 см и в стороны от волока до 20…40 см. Вторичное уплотнение происходит в колее в течение длительного (1416 лет) периода, а естественное разуплотнение почв в колее длиться около 50 лет. Экологическое уплотнение происходит в пасеке. Оно связано с удалением лесного полога, и не зависит от технологии заготовки и машин. Период разуплотнения почв в пасеке длится 25…30 лет. Понятно, что помимо параметров техники на состояние почвы лесосеки после проведения основных работ огромное влияние оказывает и технология рубок главного пользования. Причем для условий РФ в настоящее время и в ближайшем будущем это будут именно сплошные рубки. Санкт-Петербургским НИИ лесного хозяйства исследовалась пригодность почв на участках проведения рубки по разным технологиям для прорастания семян. Было выделено четыре категории площадей: хорошая, удовлетворительная, неудовлетворительная и непригодная. При этом основное внимание уделялось степени и состоянию минерализации площади после проведения рубки. Распределение пригодности площадей для прорастания семян по технологиям проведения рубок представлено в таблице 1.2

18

Таблица 1.2 Распределение площадей по степени пригодности для всхожести семян, % Технология разУдовлетвоНеудовлеНеприХорошая работки лесосек рительная творительная годная Костромская 10,5 10,0 21,5 58,0 Удмуртская 10,5 4,5 9,0 76,0 Карельская 8,0 4,0 9,5 78,5 Крестецкая 37,0 34,0 10,0 19,0 Тагильская 9,0 4,0 4,0 83,0 На рисунке 1.1 представлены технологические схемы разработки лесосек.

Костромская Удмуртская Карельская Тагильская Рис.1.1 Технологические схемы разработки лесосек Пятая делянка разрабатывалась традиционным методом – без сохранения подроста. Трелевка осуществлялась как за комли, так и за вершины. Все бригады, кроме крестецкой, очистку лесосек от порубочных остатков производили в ручную. В крестецкой бригаде была использована механизированная очистка с помощью подборщика сучьев. За 35 лет, прошедших с момента проведения рубок, на волоках создались благоприятные условия для прорастания семян, т.е. почва на волоках разуплотнилась. Этот вывод базируется на успешном возобновлении ели, наблюдаемом на всех волоках вне зависимости от технологии проведения рубки. Однако следует отметить, что при технологии без сохранения подроста (крестецкий метод) наблюдается значительное количество жизнеспособного подроста сосны, а тагильская технология заметно повлияла на относительную полноту, а следовательно и на средний запас, которые равны соответственно 1,0 и 266 м3/га. [104]. 19

Суммарный объем пор между частицами твердой фазы (объем всех промежутков), выраженный отношением объема пор к объему почвы называется пористостью, или скважностью. В отличии от пористого сложения почвы или от пористости горных пород или других тел, скважность почвы нередко называют порозностью [24]. Размер пор, форма и сочетание их весьма разнообразны, так как они являются производными от случайного расположения полидисперсных частиц механического состава – элементарных почвенных частиц, микроагрегатов и структурных отдельностей, крайне различных по размерам, форме и характеру их поверхностей. Эти промежутки по форме и размерам сильно изменяются во времени в зависимости от происходящих в почве физико-механических и биологических процессов, вследствие частичной или полной закупорки некоторые поры исчезают, другие возникают вновь. В почвах возможна уплотненная укладка, если промежутки первого порядка будут заняты частицами или агрегатами, диаметр которых отвечает размерам пор. Эта уплотненна укладка (Рис. 1.2), как и разуплотнение, происходят, в том числе, и под влиянием движителей лесозаготовительных машин и персонала. а.

б.

Рис. 1.2 Схема изменения плотности упаковки: а – увеличение плотности; б – уменьшение плотности. Структурный состав почвы сельскохозяйственных угодий характеризуется коэффициентом структурности (%) [29]: количество средних (от 0,25 до 7 - 10 мм) макроагрегатов К= сумма мелких (< 0.25 мм) и крупных (> 7 - 10 мм) макроагрег атов Установлено, что чем больше К, тем лучше структура почвы. Избыток мелких и крупных макроагрегатов ухудшает условия роста растений. Чем мельче фракция, тем больше возможности для образования корки, и тем больше почва склонна к ветровой и водной эрозии. При исследовании 20

эрозии почв установлено, что комочки почвы размерами менее 1 мм являются эрозионно неустойчивыми. Корневая система растений является фактором повышения коэффициента структурности К, корни пронизывают почву во всех направлениях густой сетью, и в ней не остается ни одного комочка, к которому бы не подходил корешок или корневой волосок [29]. Наиболее обширные исследования антропогенного воздействия на почвы проведены исследователями сельскохозяйственного производства. В первую очередь здесь следует отметить фундаментальные труды выдающегося русского ученого Василия Прохоровича Горячкина, который разработал научные основы взаимодействия рабочих органов различных сельскохозяйственных машин с почвой и посвятил этой крупнейшей проблеме многочисленные фундаментальные труды, например «Теория резания почвы». Труды В.П. Горячкина являются основой развития теории лесохозяйственных и лесосечных машин [30, 31]. В монографии И.П. Ксеневича и др. [29, c. 16] отмечается, что плотность почвы является ее основной, наиболее существенной характеристикой, от которой зависит весь комплекс физических условий в почве: водный, воздушный и тепловой режимы, а, следовательно, условия биологической деятельности. В.А. Русанов [32, c. 12] считает плотность почвы в известной степени интегральным показателем ее физического состояния, в связи с чем в реальных исследованиях устанавливается оптимальная величина плотности, при которой получают наибольший урожай данной культуры при прочих равных условиях. В математические модели уплотнения почвы движителями мобильных машин вводятся плотность почвы естественного сложения или равновесная плотность [29, 19]. В табл. 1.3 приведены значения плотности естественного сложения и оптимальной плотности. Таблица 1.3 Равновесная и оптимальная плотность для различных почв Плотность, г/см3 Почва и ее механический состав Оптимальная для Равновесная зерновых культур Дерново-подзолистая 1,30…1,40 1,20…1,35 Супесчаная 1,35…1,50 1,10…1,30 Суглинистая 1,40…1,50 1,10…1,25 1,20…1,40 Дерново-карбонатная суглинистая 1,40 1,15…1,25 Дерново-глеевая суглинистая 1,40 1,10…1,30 Серая лесная тяжелосуглинистая 1,20…1,45 1,20…1,40 Каштановая суглинистая 1,50…1,60

21

В.А. Русанов приводит равновесную оптимальную плотность почвы (см. табл. 1.4), значения которой несколько отличаются от данных табл. 1.3. Таблица 1.4 Данные оптимальной плотности почвы по В.А. Русанову Почва Механический соПлотность почвы, г/см3 став Равновесная Оптимальная для зерновых ДерновоПесчаная связанная 1,50-1,60 1,20-1,35 подзолистая То же Суглинистая 1,35-1,50 1,10-1,30 Дерново-глеевая Суглинистая 1,40-1,45 1,20-1,40 Серая лесная Тяжелосуглинистая 1,40-1,45 1,15-1,25 Опубликованы работы по определению максимальной плотности почвы, при которой еще возможно возобновление определенной породы. Например, плотность дерново-подзолистой сухой суглинистой почвы 1,57-1,65 г/см3 относятся к сильно уплотненным, где еще возможны возобновление и рост ели, с плотностью 1,65-1,7 г/см3 и более - к переуплотненным, где рост уже практически невозможен. Последний показатель принимается в качестве порогового значения для ели. При этом следует учесть, что пороговая плотность для других пород, например березы и осины, будут значительно выше, чем и объясняется отчасти появление вначале пород пионеров, пород – мелиораторов. В работе [32] обобщены результаты определения оптимальной плотности для различных сельскохозяйственных культур многочисленными учеными, некоторые из них приведены в табл. 1.5. Таблица 1.5 Оптимальная плотность почвы для различных сельскохозяйственных культур Почва Оптимальная Характеристика плотность, условий 3 г/см Кукуруза Дерново-подзолистая супесчаная 1,10-1,45 Поле Дерново-карбонатная пылевато1,20-1,30 В дренах суглинистая Пшеница Тяжелосуглинистый выщелоченный 1,10-1,30 Поле чернозем Дерново-подзолистая глееватая – 1,10-1,30 В сосудах легко суглинистая 22

Отметим однако, что в отличие от хорошо систематизированных и многократно проверенных данных о значениях оптимальной плотности различных видов почвы для наиболее распространенных сельскохозяйственных культур, данные же для древесных пород на различных почвах разрознены и часто существенно отличаются друг от друга, что связано, по видимому, с большим разнообразием природно-производственных условий исследований данного вопроса. Ученые лесоводы считают [33], что наиболее важным для последующего естественного лесовозобновления является состояние верхнего слоя почвы, толщиной 10-20 см. Причем плотность в пределах, 0,8-1,0 г/см3 названа – рыхлой; плотность 1,0-1,4 г/см3 – оптимальной; плотность 1,5-1,7 г/см3 - высокой. Из трудов ученых лесоводов известно, что после воздействия лесозаготовительной техники на лесные почвогрунты они могут быть подразделены на улучшенные, ухудшенные и малоизмененные [34, 41]. В свете работы [33] и данных других авторов можно предположить, что к улучшенной будет относиться почва с плотностью 1,0-1,4 г/см3 (оптимальной), к малоизмененной – с плотностью 0,8-1,0 г/см3 (рыхлой), а к ухудшенной – с плотностью 1,5-1,7 г/см3 и более (высокой). Серьезное изучение воздействия лесозаготовительных машин на почву началось сравнительно недавно, с внедрением агрегатной техники, в 1972 г была опубликована статья Л.Н.Рожина и М.Н. Григорьева [35] о воздействии ВТМ-4 при сплошных рубках в ельниках кисличниках Московского леспромхоза Калининской области. По степени воздействия почва подразделялась на 4 зоны (0 - ранений почвы нет): 1- зона без образования колеи, 2 - колеи глубиной до 10 см и следы от разворотов машин, 3колеи больней глубины, 4 - скопление порубочных остатков. Полученные данные авторы сопоставили с результатами воздействия других машин (табл. 1.6). Принимая зоны 1 и 2 за полезное воздействие для последующего возобновления хвойных пород, Рожин и Григорьев сделали вывод о достоинстве ВТМ-4 по сравнению с ТДТ-75. Эта "полезность" вызывала сомнение в ученых кругах т.к. не была проверена всхожестыо семян или ростом саженцев. Однако последующими исследованиями доказана возможность улучшения почвы под воздействием движителей лесозаготовительных машин, например, в [6, стр. 9] отмечается, что увеличение процента минерализации почвы, хотя и приводит к уменьшению сохранности подроста, но препятствует задернению почвы и способствует образованию большого количества самосева, т.е. способствует успешному последующему естественному лесовозобновлению. Материалы данной работы показывают, что 23

вырубки зимней разработки подвергаются задернению сильнее и быстрее, чем летней. Также установлено, что вырубки зимней заготовки самостоятельно возобновляются на 3…5 лет позже, особенно на плодородных почвах. Таблица 1.6 Распределение площади лесосеки по категориям повреждений почвы (%) различными машинами ТДТ-75 ВТМ-4 с ВТМ-4 с Зоны ВТМ-4 За комли Узкопасеный К-703 ПГС-3 метод 0 1 2,5 24 58 1 44 64 48 19 2 21 26 80 13 7 3 27 6 11 6 11 4 4 1,5 9 9 5 Такие данные имеются в работе В.Н. Данилина [34], написанной по результатам сравнительной оценки почвы в контроле и после сплошной рубки по "узкопасечной" технологии с использованием ТТ-4 и при бессистемной трелевке ЛП-18 пакетов, заготовленных ЛП-19. На организованной лесосеке почва была повреждена на волоках, занимающих 16-22% площади. Плотность почвы по сравнению с контролем (550 кг/м3) увеличилась на 40%, а в последнем варианте в 2,5 раза (1350 кг/м3). Скважность составила соответственно 76,2; 69,4 и 49,2%, водопроницаемость - 25,0; 23,2 и 0,13 мм/мин. Изучение воздействия машин ЛП-19 в комплексе с трелевочными тракторами при сплошнолесосечных рубках на природную среду изучалось также в Крестецком ЛПХ Новгородской обл. и в Советском лесокомбинате (Тюменская обл.) В Крестецком леспромхозе объектам изучения были ельник - черничник и ельник -зеленомошник, в Советском лесокомбинате - сосняк бруснично-багульниковый. В ельнике - черничнике почвы дерново-сильно-подзолистые суглинистые. В процессе работы машина ЛП-19 укладывала деревья в пачки на будущем волоке (1 технология), под углом к волоку (2 технология) и комбинированно, т.е. на волок и под углом к нему (3 технология). Трелевка пачек производилась трактором ТБ-1. Пораненная поверхность почвы без учёта погрузочных площадок при первой технология составила 35,5% и при второй -77,5%. Сильно пораненная поверхность почвы была под волоками и размеры её составили 21-24% независимо от технологии [36]. В ельнике зеленомошном с дерновоподзолистой супесчаной почвой разработка лесосеки производилась по второй технологии с применением 24

трелевочных тракторов ЛП-18А и ТТ-4. После работы ЛП-19 поранение гусеницами наблюдалось на 10,2% площади лесосеки, на которой плотность почвы на глубине 0-20 см слабо изменилась. После трелевки леса как с применением трактора ЛП-18А, так и ТТ-4 поранения почвы наблюдались почти на 80% площади лесосеки, причем сильно пораненная поверхность составила после трелевки трактором ЛП-18А – 44%, ТТ-4 – 32,8%. Увеличение плотности почва наблюдалось на 20-30% в зоне сильно измененной поверхности. Существенных различий в изменении состояния поверхности почвы и плотности после работы трактора ЛП-18 и ТТ-4 не происходит. Наибольшая поверхность почвы с сильным поранением, а следовательно, с большей плотностью верхнего слоя, встречается на площади лесосеки, прилегающей к погрузочной площадке(72,7-72,9%) и наименьшая в дальней части лесосеки (11,1-22,1%). В ельнике зеленомошном с дерновоподзолистой суглинистой почвой разработка лесосеки производилась также по второй технологии, но с применением трелевочных тракторов ТТ-4 и "Кларк". Почва после работы ЛП19 поранена гусеницами на 12% площади. Изменения состояния почвы после трелевки больше в данном типе леса, чем в предыдущем. Автор работы [36] отмечает наибольшие изменения поверхности почвы после работы трактора "Кларк". К сожалению цифровые показатели в работе не приводятся. В сосняке бруснично-багульниковом с подзолистой супесчаной свежей почвой разработка лесосеки проводилась по 2 технологии. Почва после работы ЛП-19 поранена гусеницами на 95% площади лесосеки. Плотность почвы на этой площади на глубине 0-15 см увеличилась на 22-26% и на глубине 15-20 см на 10%. Пачки трелевали трактором ЛТ-154 (гусеничный) и ЛТ-157 (колесный). После трактора ЛТ-154 пораненная площадь составляет 84,2% без погрузочной площадки, в том числе сильно измененная поверхность - 38,6% (т.е. в тех же пределах, что и для гусеничных тракторов ЛП-18А и ТТ-4). Уплотнение почвы, в зоне сильного изменения поверхности, на глубине 0-10 см увеличилась на 25-36% и на глубине 1020 см на 18-20%. После трелевки трактором ЛТ-157 верхний слой почвы уплотняется сильнее, чем после ЛТ-154. Автор работы [36] делает вывод, что наименьшие поранения поверхности почвы при использовании машины ЛП-19 и трелевочных тракторов разных типов наблюдаются при первой технологии (с укладкой деревьев на волок). Как показали исследования [37] на свежих вырубках в пределах одного и того же типа состояние и физические свойства верхних горизонтов почвы в различные сезоны лесозаготовок неодинаковы. Площадь вырубок с той или иной степенью поранения почвы при летних заготовках ВТМ-4 25

на месте ельника-кисличника составила 89%, а при весенних лесозаготовках – 98%. В то же время, в местах лесозаготовок с применением на трелевке трактора ТТ-4 пораненная площадь составила 75%. [36]. Площадь со слабым поранением почвы занимает 50% (ВТМ-4) и 33% (ТТ-4). Площадь со средним и сильным поранением почвы при использовании этих машин получается почти одинаковой. Физические свойства почвы после заготовок с применением ВТМ-4 и ТТ-4 изменяются примерно на таких же площадях в одинаковой степени. На вырубках летних заготовок с применением ВТМ-4 плотность верхнего минерального слоя почвы (на глубине 0-5 см) на 81% площади составляв 630-680 кг/м3, а на 10% площади 860-880 кг/м3 и общая порозность соответственно 71-76% и 65-67%. На вырубках потенциально вейникового типа весенних лесозаготовок по сравнению с летними плотность верхнего минерального горизонта на значительной площади (более 70%) была на 150-200 кг/м3 выше, а общая порозность на 5-12% ниже. В работе [36] отмечается, что после весенних лесозаготовок машиной ВТМ-4 площадь повреждения поверхности почвы значительно больше, чем после трелевки трактором ТДТ-75. Физические свойства и кислотность верхних горизонтов почвы А1 и А2 на вырубках после применения ВТМ-4 и ТТ-4 (ТДТ-75, ТДТ-5) в пределах одного типа существенных различий не имеют. Это же относится и к степени проективного покрытия почвы живым напочвенным покровом, степени задернения почвы и мощности в пределах одного типа вырубок. Изменение этих показателей, по мнению автора работы, определяется, прежде всего, типом вырубок. С увеличением давности рубок и усилением задернения поверхности почвы диапазон изменений физических свойств почвы уменьшается. На вейниковых вырубках 5-7 летней давности разных сезонов лесозаготовок в изменениях лесорастительных условий существенных различий нет. На этих вырубках наблюдается сильное задернение почвы (толщина 5-6 см), проективное покрытие живым напочвенным покровом – 80%. высота вейника лесного - 80-90 см, плотность верхнего минерального горизонта почвы - 1130 – 1180 кг/м3, общая порозность - 49-52%. Экологические условия для последующего возобновления хвойных пород на вейниковых вырубках неудовлетворительные. На вырубках вейниково-осокового типа лесорастительные условия для последующего возобновления хвойных пород по сравнению с вейниковыми более неблагоприятные. В первое десятилетие ход и характер естественного возобновления лиственных пород на вырубках определяется прежде всего их типом. Существенных различий в возобновлении лиственных пород в пределах од26

ного типа вырубок как после работы машин ВТМ-4, так и тракторов ТТ-4, ТДТ-55, не наблюдается [38]. Изучение воздействия машины ЛП-17 при сплошнолесосечных рубках на природную среду изучалось в Оленинском леспромхозе (Тверская обл.). Объектом изучения были ельники-кисличники с дерновосреднеподзолистой суглинистой почвой. Влажность верхних горизонтов в момент разработки довольно высокая. Результаты исследований показали, что при работе машины в валочно-трелевочном режиме, площадь без поранения почвы после разработки составляет 19-21% территории вырубок. Значительные изменения физических свойств верхнего (0-5 см) слоя почвы произошли почти на половине площади вырубок. Плотность на 47-49% площади составила 1020 - 1160 кг/м3, а общая порозность 53,8 - 56,7%. В целом в процессе рубки древостоя машина ЛП-17 оказывает на физические свойства почвы примерно такое же влияние, как машина ВТМ-4 и трактор ТДТ-75 [36, 38]. Ликвидация растительности при рубках и минерализация верхних горизонтов почвенного профиля приводит к образованию поверхностного стока и может вызывать линейную эрозию. Увеличение поверхностного стока на вырубках отмечено многими исследователями. Формирование поверхностного стока на вырубках может привести к полному уничтожению плодородного (гумусового) слоя почвы, восстановление которого требует очень длительного периода [39]. Образование поверхностного стока на вырубках обуславливает концентрацию влаги в пониженных частях рельефа, что может привести к заболачиванию. Заболачивание вырубок-явление распространенное в районах Северо-Запада с избыточным увлажнением. Если на вырубке растительность уничтожается полностью, и практически полностью происходит минерализация верхних горизонтов почвы, явление заболачивания проявляется в большей степени [40]. Понятно, что на процент площади степень повреждения почвогрунта лесосеки, помимо технологии работ, огромное влияние оказывают технико-эксплуатационные параметры лесозаготовительных машин, в частности трелевочных тракторов. Следует отметить огромный вклад отечественных ученых в решение как отдельных технических задач, по уменьшению воздействия техники на почву, путем оптимизации отдельных конструктивных параметров машин [42, 43, 44, 138] и технологии их работы [45, 46, 11, 137], так и фундаментальные труды крупнейших отечественных исследователей проблемы повышения эффективности лесозаготовительного производства. К фундаментальным исследованиям следует отнести те труды, которые обеспечивают в перспективе оптимизацию технологических процессов 27

в лесозаготовительной промышленности, включая: технологию лесосечных работ, транспортное освоение лесных массивов и экологическую эффективность функционирования систем [47-49]. Если рассматривать фундаментальность исследования как исследование обеспечивающее в перспективе высокую эффективность любого производства, то к научным фундаментальным трудам можно отнести исследования по управлению лесозаготовительного производства и технической эксплуатации машин и оборудования, участвующих в производстве. К таким исследованиям следует отнести труды докторов технических наук Андреева В.Н., Герасимова Ю.Ю., Анисимова Г.М., Большакова Б.М., Мазуркина Б.М., Ильина Б.А., Семенова М.Ф. [50-57]. В отдельную группу исследований следует выделить труды по оценке влияния потенциальных свойств лесосечных машин и оборудования на технологию работ и эффективность производства. Кроме перечисленных выше трудов ученых к этой группе исследований следует отнести труды докторов технических наук Александрова В.А., Багина Ю.И., Бартеньева И.М., Петровского В.С., Коробова В.В., Котикова В.М., Смирнова Ю.Д., Кочнева А.М. и др. [58-68]. Наиболее существенный вклад в проблему изучения влияния движителей лесных машин на почвогрунты лесосек внесен учеными СПб ГЛТА им. С.М. Кирова, в частности учеными научной школы д.т.н., проф. Анисимова Г.М. 1.2.2 Воздействие техники и технологии лесосечных работ на биологическое разнообразие лесной среды Данный параграф работы может быть логически разбит на два основных компонента – это обеспечение сохранности хозяйственно ценных (главных) древесных пород и сохранение местообитания недревесных лесных организмов. 1.2.2.1 Сохранение подроста Большое число исследований проведено по технологической и экологической оценке вновь создаваемых отечественных лесосечных машин [97, 98, 99] и внедряемых зарубежных [98 – 101, 140]. При технологической оценке исследуются годовая выработка на списочную машину в различных производственных условиях, стоимость машины и различные удельные затраты [98, 99]. Исследования скандинавской техники и технологии в основном ограничивается сохранением подроста в различных почвенно-производственных условиях [100, 101, 102]. Результаты исследований по сохранению подроста хозяйственноценных пород при работе агрегатных машин приведены в работах [36, 38, 81, 82, 83]. Объектами исследований были лесосеки, разработанные, валочно – трелевочными машинами ВТМ-4, ЛП-17 и валочно - пакетирущи28

ми машинами ЛП-19, работавшими в комплексе с трелевочными тракторами ТБ-1, ЛП-18А, ЛТ-154, ЛТ-157 и "Кларк". Технологический процесс лесосечных работ с применением перечисленных машин заключался в следующем. При разработке лесосек валочно-трелевочными машинами ВТМ-4 и ЛП-17 последние производили срезание деревьев, укладку их в пакетирующие устройство машины и трелевку пачек деревьев к погрузочному пункту. Схема разработки лесосеки - самая распространенная для этих машин - петлевая. При этой схеме машина перемещается в процессе работы по всей площади лесосеки. При разработке лесосек валочно-пакетирующими машинами ЛП- 19 они производили срезание деревьев и укладку их в пачки. Трелевка пачек осуществлялась перечисленными выше тракторами. Схемы разработки лесосек были различные. По первой схеме (1 технология) срезанные деревья укладывались на проход машины - будущий трелевочный волок. Таким образом, крона дерева в основном находилась на трелевочном волоке. После разработки каждой пасеки машина по объездному волоку возвращалась в дальний конец очередной пасеки, делая холостой ход. Трелевка пачек деревьев производилась на один погрузочный пункт. По второй схеме (2 технология) срезанные деревья укладывались на землю под углом 30-50° к волоку, чтобы волок был свободен для прохода трелевочного трактора. В результате вся крона деревьев находилась на полупасеке и накрывала имеющийся подрост. Машина двигалась челночным способом. При движении машины от погрузочного пункта деревья укладывались в пачки сбоку и впереди, а при движении к пункту - сзади и сбоку машины. При этой технологии движение трелевочного трактора строго по волокам не выдерживалось. По третьей схеме (3 технология) при разработке одной пасеки срезанные деревья укладывались на волок (как по 1 технологии), а при разработке второй пасеки - на полупасеку под углом к волоку (как по 2 технологии). Таким образом получалась комбинированная схема. В этой схеме, как и во второй, надобность в объездном волоке отпадает и холостые проходы машины значительно сокращайся. Трелевка пачек производилась на один погрузочный пункт. Своеобразным вариантом была схема с двумя погрузочными пунктами, расположенными по противоположным сторонам лесосеки. В этом варианте при разработке пасек срезанные деревья укладывались на волок. Направление комлей пачек в соседних пасеках различное, так как машина, после разработки пасеки разворачивалась на соседнюю и двигалась в обратном направлении. В этом случае надобность в объездном волоке отпала. 29

Как показали исследования [36, 38, 81, 82, 83] валочно-трелевочная машина ВТМ-4 оказывает существенное воздействие на предварительное возобновление леса. Так при наличии жизнеспособного подроста ели под пологом леса около 5 тыс.шт/га с высотой 0,9-1,5 м, после разработки лесосеки осталось не более 10%, из которых более 50% повреждено. Практически весь подрост уничтожается. При разработке лесосеки машиной ЛП-17, независимо от того, в каком технологическом режиме она работает, также сохраняется не более 10% подроста ели. Таким образом ВТМ-4 и ЛП-17 не способны сохранять достаточного количества подроста для надежного восстановления леса на вырубках, если оно основывается только на предварительном возобновлении. При разработке лесосек в Крестецком леспромхозе агрегатными машинами и тракторами ТБ-1 елового подроста сохранилось от 18 до 65% летом в том числе неповрежденного - от 10 до 57,2% и от 28 до 50% - зимой. [36]. Осторожное извлечение деревьев из пасек с подростом машиной ЛП-19 и при трелевке трактором ТБ-1 только по волокам способствует большему сохранению подроста, но ведет к снижению производительности на 10-18%. Разработка лесосеки производилась по схеме с перпендикулярным расположением пасек (лент) к лесовозному усу. Ширина разрабатываемой ленты составила 14 м, волока 4-4,5 м. После валки деревьев сохранилось (без учета погрузочный площадок) 63-86% подроста ели, а после трелевки 16-50% (меньше во влажных типах леса, так как трактор ТБ-1 из-за избыточного увлажнения чаще выезжал за пределы волока). Изучение воздействия валочно-пакетирующей машины ЛП-19 на подрост проводилось на лесосеках, указанных выше. После рубки ельникачерничника с использованием ЛП-19 и ТБ-1, при исходном количестве подроста от 5,5 до 6,8 тыс.шт/га, сохранилось при работе по 1 технологии (с укладкой деревьев на волок) - 60,2%, по 2 технологии (с укладкой деревьев под углом к волоку) - 7,9% и по 3 технологии (комбинированной) 36,1%, в том числе неповрежденного подроста соответственно 54,7; 3,4 и 27,9%. Средняя ширина пасек составила 14,5 м, 11,8 м и 14,2 м, а ширина волоков 4,2, 5,8 и 4,5 м. Основной процент повреждаемости приходится на трелевку. Автором работы [36] установлено, что по мере удаления от волока к центру ленты процент сохранности подроста увеличивается почти до 100%. Это заметнее при 1 технологии. На полосе, примыкающей к волоку, процент сохранности подроста низкий, что объясняется воздействием на подрост высотой более 1,2 м корпуса (противовеса) машины ЛП-19 при его развороте во время выноса срезанных деревьев на волок, так как корпус выступает в сторону от края гусеницы на 1,7 м. На этой же полосе

30

часть подроста всех высот уничтожается кронами трелюемых деревьев и при поворотах манипулятора на минимальном его вылете. Результаты работы показали, что машина ЛП-19 одинаково воздействует на подрост по мере удаления от погрузочной площадки к дальнему концу лесосеки. Однако после трелевки трактором ТБ-1 сохранилось ближе к площадке 40,8%, в средней части лесосеки 64% и в дальней части 70,2%. После рубки в сосняке-багульниковом с использованием ЛП-19 и тракторов ЛТ-157 и ЛТ-154 в Советском лесокомбинате были получены следующие результаты. При работе по 2 технологии (с укладкой деревьев под углом к волоку) площадь занимаемая пачками деревьев, составила 43,5% площади лесосеки без учета погрузочной площадки. После трелевки печек трактором ЛТ-154 на этой лесосеке сохранилось 4,2% подроста хвойных пород. При работе по 1 технологии (с укладкой деревьев на волок) площадь занимаемая пачками деревьев составила 18,3% площади лесосеки (без погрузочных площадок). После работы машины ЛП-19 сохранилось 73,5% подроста, в том числе 70,6% неповрежденного. Ширина разработанной ленты составила 14,8 м, а волока - 3,2 м. После трелевки сохранилось 68,2% подроста, в том числе 61,2% неповрежденного, на лентах без волоков соответственно 87 и 78%. С учетом погрузочных площадок сохранилось 58% подроста. Площадь погрузочных площадок равнялась 1,8 га (15% площади всей лесосеки). Автором работы [36] отмечается также, что при разработке лесосек в зимний период сохраняется 63-70% подроста, а с учетом погрузочных площадок 52-59%. Площадь двух погрузочных площадок занимала 0,700,77 га (15-12% территории лесосеки). Для сопоставления приведем данные того же автора [36] о сохранности подроста при разработке лесосеки бензиномоторной пилой и трактором тб-1 (Крестецкий леспромхоз). При валке деревьев с полупасек вершиной к волоку, с предварительной обрезкой вершин и крупных сучьев, после трелевки ТБ-1 сохранилось 52,2% подроста, в том числе неповрежденного 37,2%. На пасеках без учета площади волоков сохранилось 66,5% подроста. Большой процент уничтоженного подроста в данной технологии можно объяснить тем, что до 11,4% деревьев было повалено под углом 4060° к волоку и 5,1% - под углом 60-90°. При сборе их в пачку они уничтожали подрост. При трелевке деревьев за комель (обычная технология) сохранилось 11% подроста, в том числе 5,4% имеют повреждения. Примерно аналогичные цифры приводятся в работе [9] при использовании на трелевке трактора ЛП-18А. 31

А.М. Вечерин и Г.А. Гаркунов [84] дают следующую лесоводственную оценку машин по сохранению подроста. Установив при опытных рубках, что применение ЛП-19 ЛТ-157 на твердых грунтах и с ЛТ-154 на слабых позволяет сохранить летом в пасеке 62-67% мелкого и среднего подроста и 50-55% крупного, они сделали вывод, что эти машины отвечают требованиям лесного хозяйства, хотя производительность валочнопакетирущих машин за счёт подъёма дерева над подростом снижается на 20-25%. Все другие новые отечественные машины (ВМ-4, ВТМ-4, ЛП-17, ЛП-49, ТБ-1, ЛП-18, ЛП-18А) при трелевке деревьев за комель не обеспечивают сохранения подроста, хотя имеют хорошие производственные показатели. При трелевке за вершины деревьев с помощью ЛП-18 и ЛП-18А можно сохранить 50-69% тонкомера. Линейные повреждения почвы не превышают 10%. Однако, производительность этих машин, по сравнению с трелевкой за комли снижается на 11,2%. [85]. В.А. Помазшок и В. А. Смердов [86] заявляли, что все агрегатные машины требуют усовершенствования, хотя сохранность подроста без повреждений при сплошной рубке ЛП-19 в комплексе с ЛП-18 составила в их опыте 59%. При сохранении подроста производительность труда снижалась. Площадь всех волоков (с магистральными) изменялась от 35% до 43% площади лесосеки. Из этого анализа следует, что валочно-трелевочные машины типа ВТМ-4 и ЛП-17, ввиду небольшой ширины разрабатываемой ленты леса и особенностей технологического процесса их работы, не обеспечивают желаемого сохранения природной среды, в особенности результатов предварительного лесовозобновления. Хотя имеют хорошие производственные показатели. Валочно-пакетирующая машина типа ЛП-19 обеспечивает высокий процент сохранности подроста и почвенного покрова при укладке деревьев на волок. Однако, ввиду того, что пачки при этом получаются небольшими, резко снижается производительность трелевочного трактора (при этом процент сохранности природной среды не увеличивается из-за того, что машиной формируются, а трактором трелюются небольшие пачки). В то же время, машина ЛП-19 при работе по схеме, обеспечивающей достаточную производительность трелевочного трактора, не обеспечивает сохранение природной среды. Квалифицированная оценка влияния лесосечных машин на сохранность подроста дана в работах [87, 88, 89]. Анализ этих работ показал, что сохранность подроста, минерализации и уплотнения почвы, размер площади лесосеки, подверженной отрицательному воздействию лесосечных машин и персонала, определяется не столько техникой, сколько организацией 32

работ, физико-механическими свойствами почвы, характеристиками древостоя, климатическими условиями или сезоном лесозаготовки; поэтому результаты исследований влияния лесосечных машин на сохранность подроста и рекомендации исследователей по применению систем машин значительно отличаются. Исследователи Рубцов М.В. и др. [87] изучили влияние многооперационных машин и тракторов ТДТ-55 и ТТ-4 работающих по традиционной технологии: делянки разрабатывались узкими лентами, на валке использовались бензиномоторные пилы, трелевали хлысты за комли с помощью тракторов ТДТ-55 и ТТ-4, сучья обрубались на лесосеке, разбрасывались за тем по площади вырубки. По другой технологии использовались на валке машины ЛП-19, на трелевке ЛП-154, ЛП-18А. При этом на погрузочные площадки приходилось 22-28% площади лесосеки. Определенная по аэрофотоснимкам густота транспортных путей и площадь погрузочной площадки, установленные в натуре параметры волоков, путей прохода техники и дорог позволили определить размеры вырубки занятой различными технологическими элементами. На делянках, разрабатываемых с помощью многооперационных машин, она составляла 50% площади, на участках где применялась традиционная техника и технологии – в 2,5 раза меньше. При использовании многооперационных машин в летний сезон на волоках, дорогах и погрузочных площадках в свежих и влажных условиях почвы на производственных участках были очень изменены. В целом на обследованных делянках площадь с поверхностью почвы, поврежденной в сильной степени составила в черничнике свежем – 36 %, влажном – 43 %. Там, где применялась традиционная технология эти показатели были в 4 раза меньше. Все это можно трансформировать и на сохранность подроста [87]. Бартеньев И.М. и Винокуров В.Н. [90] на основании анализа исследований различных авторов установили, что ЛП-49 и ЛП-18А губят до 85% подроста и 85 % тонкомера. Трелевочные трактора из-за высокого давления на грунт даже при разовом проходе в почве с повышенной влажностью проделывают глубокую колею. В таких условиях волок после двухтрех проходов трактора становится непроходим. Трактор с каждой новой пачкой вынужден проделывать новый след. В результате этого практически вся площадь вырубки (90-95 %) оказывается изрезанной глубокими колеями, уничтожается до 90-93 % подроста и минерализуется почва на 6580 %. Процент поранений подроста и почвенного покрова по территории лесосеки распределяется неравномерно: больше в районе погрузочных пунктов и меньше в отдаленных частях лесосеки. Общий же средний процент на лесосеке зависит от площади, занимаемой волоками и погрузочными пунктами. В свою очередь количество последних зависит от пара33

метров машин и трелевочных тракторов и схемы планировки лесосеки, а это, соответственно, влияет на производительность машин и тракторов и экономическую эффективность проведения лесовосстановительных мероприятий. Таким образом, получается тесная взаимосвязь всех перечисленных моментов. Из всех видов лесовозобновления (естественное, искусственное и смешанное) современная лесоводственная наука считает наиболее предпочтительным естественное и, иногда, смешанное [91]. В настоящее время считается, что из всех мер содействия естественному лесовозобновлению наиболее действенным является сохранение подроста, т.е. основная ставка делается на сохранение результатов предварительного лесовозобновления. Для осуществления такого способа содействия разработаны специальные способы заготовки леса (Костромской способ при механизированной валке, челночный способ при работе ВТМ и др.), которые позволяют сохранять до 65% имеющегося на пасеках подроста снижая при этом производительность основных работ. В научной литературе встречаются сведения, что такой метод содействия позволяет сократить оборот рубки главной породы на 10 – 50 лет. Однако, такой подход далеко не всегда оправдан следующим причинам: • известно, что на большей части территории покрытых лесом равнинных земель лесного фонда РФ главными породами являются хвойные; • в лесах, где в качестве главной породы выбраны светолюбивые хвойные (сосна, лиственница) подрост данных пород практически отсутствует из-за их неспособности нормально развиваться под материнским пологом; • в лесах образованных теневыносливыми хвойными (ель, пихта) имеется большое количество подроста, однако, по нашим наблюдениям и по данным других исследователей [92], большое количество сохраненного при лесозаготовках подроста погибает в первые 5-10 лет после сплошной рубки из-за резкого изменения микроклимата и светового режима после удаления материнского полога (ожог хвои и шейки корня, выжимание корней и пр.). Причем, процент отмирающего подроста напрямую зависит от типа вырубки, а, следовательно, от предшествующего ей типа леса. • отмирающий в течении 1-2 классов возраста подрост захламляет лесосеку повышая ее пожароопасность и увеличивая риск поражения леса вредителями и болезнями. В связи с этим можно утверждать, что в определенных типах леса отказ от сохранения подроста, с обязательным оставлением семенников, может дать в большей степени положительные, нежели отрицательные результаты по следующим причинам:

34

• технологии лесосечных работ без сохранения подроста более производительны; • отказ от строго заданной сети пасечных трелевочных волоков позволит трелевочным тракторам проезжать по одному месту не более 2-4 раз (в зависимости от удаленности от верхнего склада) приводя в большей степени к улучшению лесной почвы благодаря ее скарификации, а также доводя плотность почвы до оптимальной для развития семян, т.е. способствуя улучшению условий для последующего естественного лесовозобновления [93]; • при очистке лесосек от порубочных остатков появляется возможность использования высокопроизводительных подборщиков грабельного типа; • отказ от сохранения подроста позволит шире использовать технологию трелевки деревьев за комли, резко повышая производительность операции очистки деревьев от сучьев (при использовании мобильных сучкорезных машин), позволит сконцентрировать большую часть порубочных остатков на верхнем складе значительно облегчая их дальнейшую утилизацию и снижая трудоемкость очистки лесосек [94]. Более того, например, в [95] отмечается, что согласно проведенным исследованиям, на основании обширного материала, полученного в Западной и Средней Сибири на вырубках погибает от 15 – 95%, а иногда и 100% сохраненного жизнеспособного подроста хвойных пород. Такие же данные получены на некоторых типах вырубок для условий Северо-Западного региона РФ авторами работы [92], в которой, в частности говорится, что «отпад подроста ели (20-летнего возраста в момент рубки) за пятилетний период после сплошной рубки (Крестецкий ЛПХ) в формирующемся разнотравно-ситниковом, ситниково-вейниковом и ситниковом типах вырубок соотвественно составил: 18,5%, 57,3% и 100%. Авторами работы [96] в результате широкомасштабных исследований установлено, что в целом по Северо-Западному региону площадь лесонасаждений с достаточным для устойчивого лесовозобновления количеством подроста главных пород не превышает 49,2%, причем, для некоторых областей она не превышает 10% (Новгородская – 9,0%, Псковская – 5,9%). Вышесказанное позволяет утверждать, что на значительных лесных площадях сохранение подроста не является выгодным, в связи с плохими перспективами его последующего развития или с его недостаточным количеством. В этом случае на первый план выход последующее естественное лесовозобновление, основанное как на обязательном сохранении обсеменителей, так и на мерах содействия, таких как подготовка почвы, очистка лесосек и пр.

35

Понятно, что с точки зрения последующего естественного лесовозобновления (прорастания попавших в почву семян) состояние почвы будет одним из первоочередных факторов влияющих на успешность данного процесса. Также очевидно, что использование дополнительных машин и механизмов для выполнения специальных технологических операций по подготовке почвы к последующему естественному лесовозобновлению будет удорожать и усложнять процесс лесосечных работ. Наиболее простым решением данной дилеммы, на наш взгляд, является модернизация технологии лесосечных работ с целью одновременного повышения как технологической (экономической), так и экологической эффективности лесосечных работ. 1.2.2.2 Сохранение ключевых биотопов Известно [22], что лес – это элемент географического ландшафта, состоящий из древесных, кустарниковых и травянистых растений, элементов животного мира и микроорганизмов, в своем биологическом развитии взаимосвязанных и оказывающих влияние друг на друга и на окружающую среду. Любая природная территория представляет собой иерархию природно-териториальных комплексов разного уровня. Разные экологические функции леса проявляются на разных уровнях иерархии, и, следовательно, природоохранное планирование выполняется для природнотерриториальных комплексов различного масштаба – географического ландшафта, местности, выдела и ключевых биотопов внутри выдела. На разных уровнях природоохранного планирования специалистами лесного хозяйства, биологами, экологами и т.д. решаются различные задачи, от выбора приоритетов экологической политики (в масштабе территории 200-300 тыс. га) до выделения ключевых биотопов и объектов важных для сохранения лесной среды и биоразнообразия (в масштабах выдела). Для рассматриваемой проблемы, сохранения биоразнообразия леса при проведении сплошных рубок, наиболее важными будут решения принятые на самых низких уровнях планирования, при которых производится выделение участков подлежащих обязательному сохранению при проведении рубок главного пользования, в масштабе выдела (лесосеки). Для сохранения разнообразия естественных условий, а также важных элементов лесной среды и местообитания многих видов живых организмов специалисты выделяют охраняемые (ключевые) объекты – микробиотопы и микроместоположения [71]. К микроместоположениям относят элементы микрорельефа на лесосеке. К ним можно отнести непродуктивные участки (каменистые участки

36

и выходы скал); заболоченные понижения, ключи, плывуны и небольшие водотоки. Микробиотопы – это элементы лесной среды, необходимые для сохранения биологического разнообразия на вырубке. Это, например, скопления крупного сухостоя и валежника на разных стадиях разложения с существующим возобновлением, старовозрастные хвойные и широколиственные деревья предыдущих генераций леса (единичные или в группах). В дальнейшем изложении микробиотопы и микроместоположения будем называть одним термином – ключевые биотопы. Основными направлениями повышения экологичности сплошных рубок, являются: повышение надежности естественного лесовозобновления на вырубках, а также сохранение биоразнообразия лесов. Эти два требования могут быть достигнуты при обоснованном применении технологии заготовки леса без сохранения подроста и жесткой сети пасечных волоков, при обязательном оставлении ключевых биотопов лесосеки, которые могут играть также, роль семенных куртин [72, 70]. К основным ключевым биотопам относятся [71, 73]: 1. Временный естественный водоток между двух холмов. Здесь вода течет в открытом виде только весной; летом на поверхности земли воды не видно, однако она продолжает свое движение в почве. Деревья подобно насосу откачивают воду и препятствуют заболачиванию участка, поэтому вдоль водотока в пределах заболоченной части оставлены все деревья полосой от 10 до 15 метров. При вырубке тяжелая техника перерезала бы подземное русло, что неизбежно привело бы к естественному и очень быстрому заболачиванию участка. Деревья, растущие на подобных участках, как правило, имеют низкое качество древесины, поэтому экономические потери из-за оставленной здесь древесины невелики. Таким образом, сохранение данного ключевого биотопа имеет не только экологический, но и экономический смысл; 2. Участки леса на заболоченных понижениях. Это маленькие болота, вокруг которых оставляются деревья. Задача этого биотопа - сберечь группу деревьев, которые способствуют сохранению многих живых организмов. Обычно на таких болотах растет низкотоварная древесина, поэтому экономические потери здесь также невелики. Деревья сохраняют только на заболоченных территориях. Возобновляясь естественным путем, заболоченные участки будут способствовать сохранению мозаичной структуры леса на этой территории. Тяжелая техника должна обходить эти участки, чтобы сохранить слабую почву биотопа.

37

3.

Скоплений крупного валежника на разных стадиях разложения и сухих деревьев. С мертвой древесиной связано очень большое количество видов живых организмов. Птицы, множество насекомых, грибы и ягоды - в лесу нет ничего лишнего, все необходимо для его развития и естественной жизни. Особенность биотопа состоит в том, что выбираются участки не эксплуатационной площади лесосеки, где уже произошло естественное куртинное возобновление леса, которое будет формировать естественный лес. Следует отметить, что оставление данного вида биотопов противоречит фитопатологической задаче очистки лесосек, поэтому выделение биотопов такого типа возможно только в энтомологически безопасных районах. 4. Небольшие реликтовые формы рельефа, характерные для данной территории (ледниковые воронки и пр.). Здесь также не следует использовать любую технику, которая может разрушить сохраняемую территорию. 5. Существующие группы предварительного естественного лесовозобновления. Рассматривая вышеперечисленные биотопы можно сделать вывод о том, что в большинстве случаев они относятся к не эксплуатационным площадям лесосеки [3, 69, 70, 72], в связи с чем противоречий между существующей в настоящее время технологией сплошных рубок и требованиями по сохранению биоразнообразия леса не возникает. Вносимые также в биотопы куртины перестойных лиственных деревьев являются для лесозаготовителей местами невыгодной рубки из-за больших затрат на заготовку и крайне низкого выхода деловой древесины. И вырубаются в настоящее время только под угрозой штрафа за недоруб. Следует отметить, что выделение и оценка ключевых биотопов является задачей ученых биологов, экологов и лесоводов, задача же лесозаготовителей сводится к тому, что бы обеспечить сохранение и указанных участков, заранее обозначенных на технологических картах и в натуре. Отечественные и зарубежные ученые биологи и экологи сходятся во мнении, что сплошные рубки в условиях бореальных лесов, большую часть которых составляют леса Российской Федерации, не являются препятствием для сохранения биологического разнообразия лесной среды. Это связано с тем [74, 75], что в настоящее время эти леса на обширных площадях могут быть уничтожены, например, пожарами, бурями, в результате засухи, снеголома, массового размножения насекомых – вредителей, рубок. Однако катастрофическое нарушение бореальных лесных экосистем – это начало новой сукцессии, которая постепенно приводит к развитию лесного насаждения, подобного тому, какое существовало на этом месте до 38

катастрофы [75]. В результате нарушений, если лесные участки зарастают без вмешательства человека часто получаются одновозрастные насаждения семенного происхождения, во многом идентичные исходному [76]. Понятно, что с развитием насаждения от молодого леса до старовозрастного число биотопов и, соответственно, биологических видов их занимающих будет меняться, несмотря на наличие или присутствие антропогенного воздействия. Например, в [77] указывается, что молодые и старовозрастные леса обеспечивают намного большее число местообитаний для позвоночных, нежели промежуточные стадии. А в работах Финских и Шведских [78, 79] исследователей отмечается, что несмотря на наличие видов находящих на грани исчезновения, их общее количество составляет всего 5% общего числа лесных видов. Этот факт позволил авторам сделать вывод о том, что «…принимая во внимание большие масштабы вырубок и другие приемы ведения лесного хозяйства, эта цифра представляется очень низкой». Из этого можно заключить, что методы, используемые в лесном хозяйстве не приводят к большим отличиям от естественной динамики лесной среды. Кроме того, авторы этих же работ считают, что больший вред сохранению биоразнообразия лесной среды приносит осушение лесных болот нежели сплошные рубки. Отметим, что наука о сохранении биологического разнообразии является еще весьма молодой и находится в стадии развития. Большое количество работ по данной проблематике опубликованы в зарубежной печати. Среди исследователей данного вопроса по многим положениям нет еще единого мнения, а, зачастую, они прямо противоположны. Например, в одном и том же сборнике научных трудов «Устойчивое развитие бореальных лесов» приводятся прямо противоположные мнения: [80, с. 63] – «Генетические ресурсы лесов бореальной зоны более скромны по видовому составу, нежели в тропических дождевых лесах»; [75, c. 17] – «Генетическое многообразие видов в бореальных регионах шире, чем в тропиках». 1.3 Основные выводы по главе 1 По результатам представленного выше обзора литературных источников можно сделать следующие основные выводы: 1 Наиболее распространенной в настоящее время технологией лесосечных работ является хлыстовая (более 85%), которая включает в себя три технологических процесса (см. табл. 1.1). 2 Наиболее энергоемкой и экологически опасной операцией указанных технологических процессов является трелевка лесоматериалов (хлыстов, полухлыстов или деревьев) в полупогруженном или полуподвешенном положении, за комли или вершины, поскольку в свете эконо39

3

4

5 6

40

мических и природно-производственных условий машинная заготовка леса, на ближайшую перспективу будет менее выгодна в РФ, нежели механизированная. Наиболее распространенным в настоящее время, на ближайшую обозримую перспективу, видом первичного транспорта леса для работы по хлыстовой технологии являются гусеничные трелевочные тракторы, оборудованные скользящим канатно-чокерным оборудованием, бесчокерным оборудованием или пачковым захватом. Основными факторами отрицательного воздействия лесозаготовительной техники и технологии на лесную среду является переуплотнение лесных почвогрунтов и повреждение (разрушение) подроста и ключевых местообитаний и местоположений (ключевых биотопов). Воздействие техники на лесные почвогрунты может быть как положительным, так и отрицательным. Технология работы без сохранения подроста (но с сохранением ключевых биотопов) может быть весьма перспективной с точки зрения повышения экономической и экологической эффективности сплошных рубок главного пользования лесом. И, в перспективе, ее внедрение будет способствовать упрощению прохождения лесозаготовительными организациями процессов экосертификации и эколебелинга.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО СОВЕРШЕНСТВОАНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕСОСЕЧНЫХ РАБОТ Как уже отмечалось в главе 1, при оценке результатов проведения основных лесосечных работ можно выделить два основных аспекта: эксплуатационную (технологическую) и экологическую эффективность. Первая оценивается такими показателями как энерго- и трудоемкость процесса, удельные затраты (себестоимость) и т.д. [18, 111, 112]. Экологическая эффективность будет оцениваться по степени отрицательного повреждения лесной экосистемы, причем еще раз отметим, что повреждения лесной среды при лесозаготовках могут быть и положительными для последующего естественного лесовозобновления, [113]. Новые методики оценки экологической эффективности как для промышленности в целом, так и для лесной отрасли в отдельности [139, 141] разрабатываются в последнее время. Для промышленности в целом экологическую эффективность предлагается оценивать как «системную многокритериальную категорию, в своей основе синтезирующую экономические и экологические приоритеты» [139]. Учеными СПб ГЛТА [141] применительно к лесозаготовительному производству экологическую эффективность предлагается рассматривать как «компоненту вектора общей эффективности», это позволяет утверждать, что понятие экологической эффективности неразрывно связано с экономическими, техническими, технологическими и др. параметрами всего производственного процесса в целом. В этой связи для выполнения задач исследования требуется разработать методику оптимизации размещения путей первичного транспорта леса как с точки зрения снижения энергоемкости, и, соответственно, себестоимости наиболее затратной технологической операции основных лесосечных работ – трелевки лесоматериалов, а также методику определения уплотнения лесных почвогрунтов в зависимости от основных показателей работы первичного транспорта леса. 2.1 Координатно-объемная методика трассирования путей первичного транспорта леса Известно, что почти на всякой лесосеке имеются участки (выдела) с различным запасом леса на гектаре, участки с трудной проходимостью трелевочных машин по почвенно-грунтовым и по рельефным условиям, а также биотопы, которые приходится объезжать.

41

Понятно, что к тем выделам, где больший запас леса приходится делать большее число рейсов. Некоторые участки приходится объезжать. На участках со слабонесущими грунтами требуется ограничивать вес пачки или дополнительно укреплять волок. Там где есть подъемы и спуски в грузовом направлении – приходится ограничивать вес пачки по касательной силе тяги трактора. Мощность N трактора, необходимая для трелевки пачки по волоку, зависит от касательной силы тяги FК и скорости V движения, и определяется известным выражением:

N=

FK ⋅V

ηТ

,

(2.1)

где: ηТ - КПД трансмиссии. Подчеркнем, что мощность установленного на трелевочной машине двигателя известна и машина должна работать в режимах, когда N близка или равна Nном. Следовательно, для любого участка лесосеки должно соблюдаться условие:

FK ⋅ V = N ⋅ηТ

(2.2) Если трактор с полупогруженной пачкой хлыстов имеет собственный вес GT, долю k′ веса пачки GВ на себе и движется на подъем (спуск) с некоторым углом α, то касательную силу тяги можно определить приближенно из выражения:

FK = GT (ϕ T cos α ± sin α ) + k ′G В (ϕ T cos α ± sin α ) + + (1 − k ′)G В (ϕ П cos α ± sin α )

(2.3)

где: ϕТ и ϕП – коэффициенты сопротивления движению соответственно трактора и волочащейся части пачки. В этой формуле не учитывается смещение центра тяжести трактора с долей пачки относительно центра тяжести собственно трактора, что приводит к перераспределению давлений движителя на грунт. На протяжении волока ϕТ, ϕП и α могут отличаться и весьма существенно. Уравнение (2.3) лишь частично отражает почвенно-грунтовые условия значениями ϕТ и ϕП, а рельеф – углом α на отдельных участках. Значения ϕТ во многом зависят от давления движителя на грунт, от состояния поверхности движения и других факторов. Значения ϕП зависят от состава древостоя, развитости кроны (при трелевке деревьев), направления комлей и других факторов.

42

При холостом ходе трактора в уравнении (2.3) GВ=0 и FКХ=GТ(ϕТcosα±sinα), следовательно при грузовом и холостом ходах скорости движения можно получить из выражения (2.2):

V ГХ =

N ⋅η N ⋅η = V XX FK , а FKX

(2.4)

Но поскольку FKXVГХ и при известной протяженности отдельных участков не трудно рассчитать время их прохождения в грузовом и холостом направлениях. Из выражений (2.3) и (2.4) можно сделать вывод о том, что поддержанием мощности близкой к номинальной можно увеличивать скорости движения или вес пачки путем снижения веса трактора и коэффициента сопротивления движению. Вес трелюемой пачки можно выразить как:

GВ =

N ⋅ η − GT ⋅ V ГХ (ϕ T cos α ± sin α ) V ГХ [k ′(ϕ T cos α ± sin α ) + (1 − k ′)(ϕ П cos α ± sin α )]

(2.5)

Если для всех участков рассчитать вес пачки по формуле (2.5) и скорости движений, то можно определить максимально допустимое значение GВ по наихудшему участку, которое в свою очередь является лимитирующим значением веса трелюемой пачки по данному маршруту, и время цикла трелевки пачки. Особый вопрос состоит в долговечности отдельных участков. Сколько двойных проходов трелевочной машины и трелевочной системы можно допустить на том или ином участке для предотвращения перехода слабых (полезных) повреждений почвы в сильные (вредные). Очевидно, что чем ближе участок к погрузочному пункту, тем больше двойных проходов на него приходится. Проведенные нами теоретические исследования показывают, что для снижения затрат на освоение лесосеки, а также степени повреждения почвы необходимо знать подробную ее характеристику. До начала разработки лесосеки надо иметь по крайней мере три ее карты-характеристики. На одной должны быть изображены все выдела, т.е. отдельные части всей площади лесосеки с определенным составом древостоя, средним объемом хлыста и тем или иным запасом леса на гектаре. На другой – должны быть нанесены площади с примерно одинаковой несущей способностью грунтов и в том числе непроходимые для машины. На третьей – все рельефные особенности – подъемы, спуски и их параметры, ручьи, канавы и т.п. Если масштабы всех карт одинаковы, то наложив их одну на другую получим достаточно подробную характеристику каждой точки лесосеки. Выбрав произвольную систему координат, например, ось абсцисс парал43

лельно фронту отгрузки, усу, или как то иначе, можно однозначно привязать каждую точку к месту положения и знать ее подробную характеристику. Выдел с некоторым запасом qi леса на гектаре может иметь произвольную форму площади Si. Но какой бы ни была форма выдела на ней всегда можно найти центр запаса леса (ЦЗЛ), по аналогии с центром тяжести плоской фигуры одинаковой плотности. По первой карте можно определить координаты ЦЗЛ (xi; yi), как это показано на рис. 2.1, на котором цветом выделены труднопроходимые участки. Если площадь выдела оказывается слишком большой или форма площади слишком сложной, ее следует произвольно разбить на части, размером, например, в площадь зоны набора одной пачки, и определить ЦЗЛ каждой части и координаты на карте. Тогда координаты ЦЗЛ всего выдела можно вычислить по формулам: q (S x + S 2 x2 + ... + S n xn ) q (S y + S y + ... + S n y n ) xi = i 1 1 ; yi = i 1 1 2 2 (2.6) q1 + q2 + ... + qn q1 + q 2 + ... + q n где: n – число частей разбитой площади выдела; Sn, (xn, yn) – площади и координаты i-того выдела.

Рис. 2.1. Разбиение лесосеки на элементарные участки В общем виде для нескольких выделов можно записать:

44

Z

∑q S x i

xЦ =

Z

i i

i

yЦ =

i =1

Z

∑ qi

∑q S y

;

i =1

i

i

i =1

Z

∑ qi

(2.7)

i =1

В тех случаях, когда по тем или иным причинам волока невозможно или крайне нецелесообразно провести по ЦЗЛ двух выделов, а приходится проложить его между двумя соседними, то координаты точки условно сдвоенного выдела состоящего из двух разных по площади и запасу леса можно вычислить как:

xC =

q1 S1 x1 + q 2 S 2 x 2 q1 S1 + q 2 S 2

yC =

q1 S1 y1 + q 2 S 2 y 2 q1 S1 + q 2 S 2

(2.8)

Трасса волоков от одного ЦЗЛ до условно сдвоенного ЦЗЛ двух выделов оказывается сопряженной, однако спрямление волоков может оказаться невозможным по рельефу и почвенно-грунтовым условиям. Таким образом, объемно-координатный способ в сочетании с рельефными и почвенно-грунтовыми ограничениями позволит вполне обоснованно составлять схемы расположения волоков на лесосеке и тем самым свести к минимально-возможным энергетические и материальные затраты на трелевке хлыстов и деревьев, а также ухудшение лесорастительных условий за счет снижения суммарного уплотняющего воздействия трелевочных систем на почвогрунты лесосеки. Такую методику можно, по нашему мнению, применить и при строительстве усов лесовозных дорог. Только вместо термина «выдел», следует принять термин – лесосека. Разумеется, масштабы карт и расположение координатных осей могут быть иными, в частности они могут совпадать с географической системой координат. Износ волока сильно влияет на коэффициенты ϕТ и ϕП сопротивления движению трактора и волочащейся части пачки хлыстов или деревьев, хотя эта зависимость не всегда явно просматривается. Дело в том, что формирование колеи зависит от почвенно-грунтовых условий. В одних случаях по мере наработки, то есть увеличения числа двойных проходов трактора в некоторых местах грунт под гусеницами или колесами сначала раздавливается и уплотняется и ϕТ уменьшается. Затем разрушается уплотненный слой, глубина колей и ϕТ увеличиваются. В других случаях грунт под гусеницами или колесами уплотняется очень слабо и почти сразу начинает разрушаться, глубина колеи постоянно увеличивается и ϕТ довольно быстро достигает предельных значений.

45

Чтобы оценить степень уширения волока на отдельных его участках надо знать требуемую наработку на каждом из них, то есть определить сколько же двойных ходов трактора он должен выдерживать. Пусть протяженность волока L такова, что он пересекает n примыкающих к нему выделов с площадями Si и запасами леса на гектаре qi. Общий объем древесины VВ, который необходимо стрелевать по этой трассе к погрузочному пункту и общее число двойных ходов Zmax трактора можно вычислить, если определен объем VП трелюемой пачки с учетом рельефно-почвенных ограничений. n

V В = ∑ S i qi ;

Z max =

i =1

VВ VП

(2.9)

Протяженность l1 этой части волока можно принять равной расстоянию от погрузочного пункта до ЦЗЛ ближайшего выдела, которая вычисляется по координатам ЦЗЛ и погрузочного пункта, как расстояние между двумя точками по формуле:

l1 =

( x 2 − x1 ) 2 + ( y 2 − y 1 ) 2 ,

(2.10)

или по карте с определенным масштабом с помощью линейки. Объем хлыстов, трелюемых на втором участке волока от ЦЗЛ первого выдела до ЦЗЛ следующего выдела оказывается меньше на величину объема стрелеванного с первого выдела.

V В 1 = V В − S 1 q1 ,

(2.11)

а число двойных ходов:

Z max −1 =

VВ − S1q1 . VП

(2.12)

Протяженность второго участка волока можно определить аналогично первому. Очевидно, что по наиболее удаленному участку волока необходимо стрелевать объем хлыстов:

V Вn = S n q n ,

(2.13)

и совершить число двойных рейсов трактора:

Z min =

S n qn VП

(2.14)

Планируемая наработка на тот или иной участок трассы в сочетании со знанием несущей способности грунтов и рельефом каждого участка позволит приближенно снизить энергозатраты на трелевку древесины и повреждения почвы. Однако необходимо учитывать, что всякие перегрузки 46

трактора, для уменьшения количества ходов, сверх допустимых или приводят к его поломке, или значительно сокращают его долговечность. Таким образом подробная характеристика почвенно-грунтовых и рельефных условий лесосеки в сочетании с координатно-объемной методикой трассирования позволяет получить такую схему расположения трасс трелевки при которой суммарные затраты на трелевку могут быть сведены к оптимальным, а повреждения почвы к требуемым и позволяющим оптимизировать лесорастительные условия для последующего естественного лесовозобновления, и, в конечном итоге повысить экологическую эффективность работы трелевочных тракторов.

Рис. 2.2. Схема расположения трелевочных волоков по предлагаемой методике расчета (цветом выделены труднопроходимые участки и не эксплуатационные площади)

47

Рис. 2.3. Параллельная схема расположения волоков На рис. 2.2. и 2.3. показаны схемы расположения трелевочных волоков, соответственно рассчитанные по предлагаемой методике и при стандартной параллельной схеме размещения. Как видно из рис. 2.1. учет, выделенных цветом, труднопроходимых участков и неэксплуатационных площадей позволяет располагать трелевочные волоки таким, образом, что они их не пересекают, что соответственно снижает энергоемкость процесса трелевки. При использовании стандартной схемы расположения волоков (рис. 2.3) волоки часто пересекают труднопроходимые участки, что приводит к увеличению затрат на саму трелевку, а также на подготовительные и вспомогательные работы. 2.2 Оценка процессов деформирования при циклическом уплотнении почвы Известно, что помимо среднего расстояния трелевки (которое зависит в основном от размеров и формы лесосеки) к основным показателям работы первичного транспорта леса относятся: грузооборот, грузовая работа, грузонапряженность трелевочных волоков и коэффициент пробега. Грузовую работу первичного транспорта леса в работе [114] предлагается оценивать количеством кубокилометров выполняемых по отдельному волоку или всей сети волоков. Однако, на наш взгляд, такая оценка не может быть признана правильной, поскольку известно, что работа есть произведение силы на путь [115]. В этой связи в наших исследованиях грузовая работа первичного транспорта леса буде оцениваться в кН·км. Для 48

определения количества грузовой работы, приходящийся на один полный рейс трелевочной системы (холостой ход трактора + ход с пачкой) переведем массу трактора и массу пачки в единицы веса путем умножения на ускорение свободного падения. Грузовую работу принято выражать графически в виде схемы грузопотоков пасечных или магистральных волоков. Обычно пасеки имеют прямоугольную или треугольную форму. Максимальный грузооборот волока составит: qП = S П q (2.15) 3 где: SП – площадь пасеки, га; q – запас леса на гектаре, м /га. Грузовая работа пасечного волока для прямоугольной пасеки в кН·км составит: R П = 0,5q П ρgl + 2G Т , (2.16) где: l – длина волока, км; ρ – плотность древесины; g – ускорение свободного падения; GТ – эксплуатационный вес трактора. Можно априорно утверждать, что показатель грузовой работы имеет весьма тесную связь со степенью влияния трелевочных систем на лесную почву. Если представить эпюр нагрузки на сеть трелевочных волоков в плане, то согласно схеме эпюра грузовой работы получим (рис. 2.4):

Рис. 2.4 Эпюр грузовой работы в плане: 1 – пасечный волок; 2 – магистральный волок; 3 – верхний склад; 4 – территория лесосеки. На рис. 2.5 интенсивностью оттенков серого показан эпюр грузовой работы, можно обоснованно полагать, что введением эмпирического ко49

эффициента, учитывающего тип и состояние почв лесосеки, этот эпюр легко может быть трансформирован в эпюр воздействия лесозаготовительной техники, и, прежде всего трелевочных систем, на почву. Тогда эпюр грузовой работы, и, соответственно, повреждений почвы при работе без сохранения подроста и строго заданной сети пасечных волоков будет выглядеть как (рис. 2.5). Из сказанного видно, что благодаря отказу от сети пасечных волоков можно добиться более равномерного распределения грузовой работы и повреждаемости почвы, что приведет к тому, что трелевочные системы на большей части территории лесосеки будут не ухудшать, а улучшать почву для будущих генераций леса естественного происхождения. Следовательно, необходимо создать модель позволяющую связать цикличность уплотняющего воздействия и показатель грузовой работы, которые можно соответственно оценить по формулам (2.9) и (2.16), с уплотнением почвы. Анализ особенностей деформирования различных грунтов при вдавливании штампа [116] свидетельствует о достаточно сложных процессах, происходящих при формировании уплотненного ядра даже при однократном воздействии (проходе) трелевочной системы. При увеличении числа проходов процессы деформирования почвы изучены крайне мало. Вместе с тем в работе [19] отмечается функциональная связь между показателями уплотнения почвы и параметрами грунта, трелевочной системы и количества циклов N.

Рис. 2.5 Ориентировочный эпюр повреждаемости почвы 1 – магистральный волок; 2 – верхний склад; 3 – территория лесосеки

50

Очевидно, что в общей постановке решение подобной задачи вызывает большие математические трудности в силу ее существенной нелинейности, поскольку в каждом последующем цикле начальные и граничные (краевые) условия при решении дифференциальных уравнений являются результатом реализации предыдущего цикла, геомеханические характеристики грунта циклически изменяются, требуя учета влияния его реологии и природы переупаковки. В этой связи целесообразно создание комбинированной модели исследования циклического уплотнения грунта, в рамках которой учет геомеханических факторов осуществляется исходя из адекватных теоретических представлений механики грунтов, а технологические факторы отражаются в виде корреляционных соотношений. В конечном счете задача состоит в конструировании работоспособных полуэмпирических соотношений (формул) с набором коэффициентов, определяемых только из натурных экспериментов.

а б Рис. 1. К расчету нагружения почвы: а – схема нагружения; б – кривая деформации; в – четырехэлементная модель Фойгта

в Рис. 2.6 Схема нагружения грунта 51

Рассмотрим схему нагружения грунта под давлением σ от действия штампа шириной b и весом Q при глубине деформирования Н (Рис. 2.6 а). Будем считать, что за время цикла t= L/V, где L и V - длина опорной поверхности и скорость трелевочной системы, почва переместилась на глубину h= h1 в положительном направлении оси у. Повторный цикл перемещает почву на глубину h= h2 и т.д. Истинная деформация ε, которую испытывает элементарный слой dу грунта на текущей глубине h, оценивается в [117]: h

dy h = ln . h1 h1 y

ε=∫

(2.17)

С другой стороны деформация с уплотнением связаны соотношением:

ε=

ρ − ρ1 = ρ −1 ρ1

(2.18).

Из (2.17) и (2.18) после преобразований в первом приближении получим:

h = ln h1 + ρ .

(2.19) Рассмотрим общепринятую модель нагружения грунта, в частности в [116], где у кривой σ ( h ) выделяют три участка (Рис. 2.6 б). Уплотненное ядро в основном формируется на стадии упругой деформации (участок 1). На втором участке сила сопротивления уплотнению больше силы сопротивления боковому сдвигу и уплотнение имеет асимптотически затухающий характер. Участок 3 характеризуется развитием деформаций сдвига и начиная с глубины hs грунт "течет" при постоянном давлении σ=σs - пределе его несущей способности. Такой схеме нагружения соответствует четырехэлементная модель Фойгта [118], представленная на Рис. 2.6 в. Однако в силу того, что нас интересуют первые две фазы нагружения, а два упругих элемента объединим в единый с двумя составляющими, перейдем к рассмотрению двухэлементной модели с общим модулем деформации Е=Е0 +Еη. Тогда можно записать: dε σ = Еε + η , (2.20), dt где: η - вязкость грунта. Соотношение (2.20) с учетом (2.18) и равенства производных dε d ρ = примет вид: dt dt dρ σ = Е (ρ − 1) + η dt 52

или

dρ + ρЕ = σ + Е (2.21) dt В многоэлементных моделях Фойгта отмечается [118], что давление σ приложено к каждому элементу, а истинная деформация равна сумме деформаций элементов. Поэтому вначале, учитывая доминирующее уплотнение грунта на первом участке, примем в уравнении (2.21) σ=Е0 h . Тогда из уравнения (2.21) получим дифференциальное уравнение уплотнения: dρ + Е η ρ = Е 0 (ln h + 1) + Е η , (2.22) dt Еη Е0 где: Е η = , Е0 = . η η Решение (2.22) при начальных условиях: t=0 => ρ =1, ε=0 дает функцию уплотнения: Е −Е t ρ = 1 + 0 1 − е η (ln h + 1) . (2.23) Еη Таким образом, при t=0 => h =1, ρ =1. В дальнейшем с увеличением t прирост величины относительного уплотнения определяется тремя множителями Р1, Р2 и Р3, которые отличаются по сути. Рассмотрим их влияние подробнее. Множитель Р1 = Е0 Е отражает выбранную модель среды, т.е. переη

(

)

η

распределение упругих элементов в общем модуле деформации. В теории линейной вязкоупругости [118] диапазон изменения Р1 достаточно широк, однако в рамках нашей модели, когда податливость среды (1/Е) на первом участке превосходит податливость на втором, примем Р1<0,5, т.е. порядка 0,40-0,45. Множитель Р2 - характеризует чистую вязкость в процессе деформирования. Он точно совпадает с параметром вязкости µ [119, 120] и по закону затухающей экспоненты определяет прирост уплотнения. В работе [119] в опытах с плотными грунтами (лёссом, глиной, суглинком и плотным песком) установлен диапазон изменения µ, равный 1000-1200 с-1. Время релаксации напряжений τ=1/µ для плотных грунтов незначительно. В неплотных грунтах, например таких как рыхлая пахота, параметр µ снижается на несколько порядков. Так принимая модуль Еη=2-5 кГ/см и при значении вязкости η=0,35 кГ·с/см2 получаем параметр вязкости µ всего 5,7-14,3 с-1, а это в свою очередь существенно увеличивает время релаксации напряжений. Следует отметить, что степень влияния множителя Р2 нуждает-

53

ся в детальном моделировании как на образцах так и в натурных экспериментах. Третий множитель Р3 - отражает влияние погружения штампа на величину уплотнения и зависит как от параметров грунта так и технологических характеристик ЛТС и количества циклов проходки. Получить сугубо теоретическую связь не представляется возможным, поэтому воспользуемся конструкцией регрессионного уравнения [19]: h = 1 + Z (Е , Н , b, ω ,ν )χ lg N , (2.24), где: Z - безразмерная многопараметрическая функция, χ – коэффициент интенсивности накопления необратимых деформаций при циклическом нагружении. При N=1 получаем h =1, что позволяет перейти к оценке значений функций Z и χ. Диапазон значений Z определяется такими параметрами как начальная плотность ρ1, коэффициент Пуассона ν, модуль деформации Е и глубина Н их распространения, а также коэффициент ω формы опорной поверхности ЛТС, его ширина b и максимальное давление на грунт [19]. Произведенные расчеты позволили установить реальный диапазон изменения Z=0,7-1,2. Функцию χ при отсутствии экспериментальных данных рекомендуют принимать константой, равной 1. Однако переупаковка грунта и накопленные деформации требуют хотя бы в первом приближении учесть влияние цикличности на снижение величины χ. Предположим линейный характер данного влияния в виде уравнения регрессии: χ = 1,02 − 0,02 N (2.25), при N=1 χ=1 и отметим особое значение экспериментального установления зависимостей типа (2.25) для наиболее характерных видов грунтов и ЛТС. На рис. 2.7 приведены результаты расчетов по формулам (2.23)-(2.25) с оценкой влияния цикличности на процесс уплотнения грунта (Z=1). Расчеты сделаны как для величины относительного уплотнения ρ (левая шкала) так и его прироста ∆ ρ ,% (правая шкала).

54

Рис. 2.7 Зависимость уплотнения от числа циклов

Рис. 2.7 Определение переходного состояния Важными, на наш взгляд, результатами являются: наличие экстремума функции ∆ ρ (N) и асимптотический характер зависимости ρ (N), на55

чало проявления которого можно определить путем спрямления кривой с помощью логарифмических координат (Рис. 2.6). Сопряжению ветвей в точке М на рис. 2.6 соответствует точка М΄ пересечения прямых на рис. 2.6. Количество циклов при этом составило N=4. Именно при таком N наблюдается пересечение кривых на Рис. 2.5, что позволяет сделать для данного конкретного примера вывод о том, что основной процесс уплотнения почвы был реализован на первых четырех циклах, а дальнейшее уплотнение носит асимптотический (несущественный) характер. 2.3 Определение оптимального числа рейсов трелевочной системы по одному следу Для определения связи между давлением Р на лесной грунт и его относительной деформацией ς воспользуемся известной упруго-вязкой реологической моделью:

P = Eς + η

Dς dt ,

(2.26)

где: Е – модуль упругости; η - вязкость грунта; t – время. Отметим, что показатели Е и η напрямую зависят от вида состояния грунта, индикатором которых частично является тип леса. При постоянном давлении на грунт (Р=const) решение уравнения (2.26) имеет вид: E

P -ηt ς0 - ς = e , E

(2.27)

тогда величина остаточной деформации составит:

ς0 =

P E.

(2.28)

Связь между относительной деформацией и плотностью грунта можно представить в виде:

ς=

ρ - ρ0 ρ0 ,

(2.29)

где: ρ0 – начальная плотность грунта. С учетом (2.28) и (2.29) можно получено выражение:

ρ - ρ0 P = . ρ0 E

(2.30)

На основании данных исследовательских испытаний получена зависимость изменения плотности лесной почвы от числа проходов трелевочной системы: 56

ρ - ρ0 = 0,16п , ρ0

(2.31)

где: п – число двойных проходов трелевочной системы (в грузовом и холостом направлениях). Тогда, задаваясь средней естественной плотностью лесной почвы (0,8 т/м3) и оптимальной плотностью для произрастания древесных пород (для сосны – 1,2 т/м3) можно определить допустимое число проходов, которое приведет к улучшению лесной почвы для последующего естественного лесовозобновления, как:

п = 6,25

1.

2.

3. 4.

ρ - ρ0 ρ0 .

(2.32)

2.4 Выводы по главе 2 Подробная характеристика почвенно-грунтовых и рельефных условий лесосеки в сочетании с разработанной координатно-объемной методикой трассирования позволяет получить такую схему расположения трасс трелевки при которой суммарные затраты на трелевку могут быть сведены к минимальным, а повреждения почвы к требуемым и позволяющим оптимизировать лесорастительные условия для последующего естественного лесовозобновления, и, в конечном итоге повысить экологическую эффективность работы трелевочных тракторов. Целесообразно создание комбинированной модели исследования циклического уплотнения грунта, в рамках которой учет геомеханических факторов осуществляется исходя из адекватных теоретических представлений механики грунтов, а технологические факторы отражаются в виде корреляционных соотношений. Выполненные расчеты показывают, что функция относительного уплотнения почвы имеет экстремум. Получена математическая зависимость позволяющая определить число проходов трелевочной системы приводящее к улучшению лесной почвы для последующего естественного лесовозобновления.

57

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Известно [2, стр. 1532], что эксперимент (от латинского experimentum – проба, опыт) – научно поставленный опыт, наблюдение исследуемого явления. Эксперимент является важнейшей стороной практики и критерием истинности результатов познания. Огромную важность для науки результатов качественно проведенных экспериментальных исследований отмечали многие ведущие отечественные и зарубежные ученые. Например, академик П.Л. Капица отмечал, что доброкачественность эксперимента является необходимым условием как для построения передовой теории, так и для получения практических результатов [105]. Понятно, что для науки о лесе, являющейся наукой прикладной, эксперимент имеет значение, которое трудно переоценить. Известно, что множество практических расчетов во многих направлениях науки о лесе базируется на эмпирических зависимостях, полученных экспериментальным путем. В качестве примера, к таким направлениям науки о лесе можно отнести таксацию, лесоводство, технологию лесозаготовительного производства и пр. Связано данное обстоятельство с тем, что провести строгое математическое моделирование хода роста лесонасаждений (и даже одного дерева), поведения рабочего на лесосеке, развития корневой системы леса и подлеска и т.п. невозможно. Следовательно, единственным путем познания в данных условиях является обработка и использование данных качественно поставленных экспериментальных исследований. Причем, поскольку в наших исследованиях речь идет о взаимодействии лесозаготовительных машин с лесной средой, а точнее воздействии машин на лесную среду, становится понятным, что проведение модельных экспериментов не может решить задач исследования. Следовательно, для решения поставленных задач необходим натурный эксперимент в производственных условиях. 3.1 Объекты, приборное обеспечение и условия проведения экспериментальных исследований Как было отмечено в главе 1, влияние лесозаготовительных машин лесную среду принято оценивать по двум основным показателям: влияние на почву и влияние на подрост. Наиболее важным для последующего естественного лесовозобновления является воздействие на почву, которое, как было показано выше, может и положительным и отрицательным.

58

Также в главе 1 было отмечено, что наиболее существенным изменением лесной почвы под воздействием движителей лесозаготовительных машин и персонала является ее уплотнение, в результате чего уменьшается порозность, аэрация, водопроницаемость, что приводит к заболачиванию почвы как во влажных типах леса (долгомошниках, сфагновых и пр.), так и в типах леса с оптимальным увлажнением (кисличник, черничник) [93, 22], а также к угнетению и полному прекращению роста деревьев.

Рис 3.1 Устройство для вырезания образца почвы. Условные обозначения: 1 – ручка выталкивателя; 2 – муфта; 3 – поводок; 4 – выключатель концевой; 5 – контргайка (ГОСТ 8961-75); 6 – упор нижний; 7 – втулка направляющая; 8 – нож цилиндрический; 9 – выталкиватель; 10 – корпус; 11 – шарик; 12 – пружина дисковая; 13 – муфта; 14 – труба (3/4”); 15 – труба (8 – 10); 16 – упор верхний; 17 – втулка направляющая; 18 – шарик; 19 – пружина. 59

Для оперативной оценки влияния лесозаготовительной техники на плотность почвы в Санкт-Петербургской Государственной лесотехнической академии им. С.М. Кирова учеными Лесомеханического (каф. Лесных гусеничных и колесных машин) и Лесоинженерного (каф. Технологии лесозаготовительных производств) факультетов был создан не имеющий аналогов ручной прибор, позволяющий без больших затрат и с приемлемой точностью оценивать уплотнение почвы (Рис. 3.1). Прибор состоит из цилиндрического ножа с механизмом вращения, выталкивателя керна почвы и сигнализации предельного погружения ножа в почву. На корпусе устройства, сделанного из трубы 3/4", с помощью муфт закреплены верхний и нижний упоры Внутри корпуса по втулкам может перемещаться шток с ручкой выталкивателя керна почвы. Предельное перемещение выталкивателя при вырезании керна отслеживается сигнальной системой, состоящей из концевого выключателя, связанного поводком со штоком, источник световой сигнализации. Система сигнализации исключает уплотнение почвы при вырезании керна. Механизм вращения включает корпус с четырьмя пазами, имеющими наклонные плоскости, по которым могут перемещаться шарики под воздействием цилиндрических пружин. В корпусе механизма вращения установлена цилиндрическая пружина, которая при отсутствии усилий на упорах внутренней окружностью опирается на корпус механизма вращения, а наружным находится в контакте с нижней муфтой; шарики при этом под воздействием цилиндрических пружин занимают верхнее положение наклонной плоскости. Принцип работы устройства заключается в следующем. Для снижения сопротивления резанию почвы, пронизанной корнями растений, и сохранения структуры образца (керна) цилиндрический нож под воздействием усилий, прилагаемых исследователем на ручные и ножные упоры, совершает поступательное движение в почву. Под воздействием усилий пластинчатая пружина пригибается и опирается на шарики, которые, преодолевая усилия цилиндрических пружин, переходят в нижнее положение наклонной плоскости; при этом совершается поворот цилиндрического ножа. В момент включения сигнализации прекращается воздействие на упоры и устройство вместе с керном извлекается из почвы, и с помощью выталкивателя керн удаляется из цилиндрического ножа. Плотность отобранных образцов (кернов) почвы определяется по формуле: ρ=

m , V

(3.1)

где: ρ – плотность керна почвы; m – масса керна почвы; V – объем керна почвы. 60

Вместе с тем практика эксплуатации прибора вышеописанной конструкции [45] показала наличие в ней слабых мест, и, прежде всего, недостаточную эффективность механизма поворота цилиндрического ножа. Понятно, что почвогрунты лесосек, в отличие от почв сельскохозяйственных угодий пронизаны корневой системой древостоя. Физико-механические свойства таких почвогрунтов могут изменяться по длине трелевочного волока часто и в широком диапазоне, а значит требуют большого числа измерений. Следовательно, устройство для вырезания керна почвогрунта должно быть простым по конструкции, мобильным и обеспечивать минимальное время для вырезания одного образца. Для перерезания корневой системы пронизывающей почвогрунт нож устройства должен поворачиваться вокруг своей оси и иметь зубчатый торец. В дальнейших исследованиях влияния параметров гусеничных движителей трелевочных тракторов на их взаимодействие с почвами лесосек вышеописанный прибор был несколько видоизменен (Рис. 3.2) [44]. При вырезании керна винтовая пара поворачивает цилиндрический нож на несколько десятков угловых градусов, и он как пила вырезает керн из почвогрунта пронизанного корневой системой. Принцип работы устройства заключается в следующем. Для снижения сопротивления резанию почвы, пронизанной корнями растений, и сохранения структуры образца (керна) цилиндрический нож под воздействием усилий, прилагаемых исследователем на ручные и ножные упоры, совершает поступательное движение в почву. Под воздействием усилий пластинчатая пружина пригибается и опирается на шарики, которые, преодолевая усилия цилиндрических пружин, переходят в нижнее положение наклонной плоскости; при этом совершается поворот цилиндрического ножа. В момент включения сигнализации прекращается воздействие на упоры и устройство вместе с керном извлекается из почвы, и с помощью выталкивателя керн удаляется из цилиндрического ножа. В нашем исследовании использовался следующий вариант модернизации устройства для вырезания образцов почвогрунта, на которое получен патент на полезную модель [106]. Новое устройство отличается тем, что нож имеет съемные вставки из прозрачного кварцевого стекла, необходимая прочность которых определена специальным расчетом [107], с нанесенным на него нониусом. Такое новшество позволило сделать прибор более универсальным – позволяющим оценивать не только уплотнение почвы, но и перемешивание ее горизонтов при воздействии трелевочных систем и лесозаготовительной техники. Цена деления нониуса нанесенного на вставки кварцевого стекла составляла 1 см, следовательно, погрешность измерения перемешивания почвенных слоев составляла ±0,5 см. 61

Рис. 3.2 Устройство для вырезания керна почвы с винтовой парой 1 – ручка выталкивателя; 2 – упор верхний; 3 – поводок; 4 – труба; 5 – подшипник; 6 – корпус с нижним упором; 7 – штанга выталкивателя; 8 – корпус; 9 – выталкиватель; 10 - нож цилиндрический; II – винтовая пара

62

Масса получаемых образцов (кернов) почвы определялась путем взвешивания на весах с ценой деления нониуса 5 грамм, следовательно, погрешность измерения массы образцов составляла ±2,5 грамма. Исследования проводились в производственных условиях на лесосеках находящихся в кварталах № 102, 100 и 99 Ефимовского лесхоза Бокситогорского района Ленинградской области. Для изучения влияния работы лесозаготовительной техники на лесные почвогрунты были отобраны 3 лесосеки, схемы разработки которых представлены на рис. 3.3-3.5. Во всех случаях лесосеки разрабатывались методом сплошной рубки. Все лесосеки относятся ко второй группе леса. Система машин и технологии разработки лесосек во всех случаях были одинаковыми. Согласно технологическим картам подготовительные работы включали уборку сухостойных, зависших и гнилых деревьев на всей территории лесосеки и в пятидесятиметровой зоне безопасности вокруг нее, разметку магистрального волока шириной 5 метров, пасечных волоков шириной 4 метра и подготовку погрузочной площадки размерами 20х30 м.

Рис. 3.3 Схема разработки лесосеки, находящейся в квартале 102, выдел 35, год разработки – 2003 Подготовительные и основные работы проводились силами одной комплексной бригады в составе: вальщик – 1 чел.; помощник вальщика – 1

63

чел.; рабочий на очистке деревьев от сучьев – 1 чел.; тракторист – 1 чел.; рабочий на раскряжевке – 1 чел. Технологические карты предусматривали следующий порядок выполнения технологических операций основных лесосечных работ: 1. Валка деревьев бензиномоторной пилой «Хускварана» вершинами на волок в последовательно разрабатываемых пасеках (1, 2, 3, 4 и т.д.). 2. Очистка деревьев от сучьев. 3. Формирование и трелевка пачек хлыстов за вершины трелевочным трактором со скользящим канатно-чокерным оборудованием ТДТ55А, производства ОАО «Онежский тракторный завод», г. Петрозаводск. 4. Раскряжевка хлыстов бензиномоторной пилой «Хускварна» на верхнем складе. 5. Погрузка древесины на лесовозный транспорт производилась методом самопогрузки, при помощи гидроманипуляторов самопогружающихся лесовозных автопоездов. Все работы проводились в соответствии с принятыми правилами техники безопасности. Очистка лесосек проводилась силами основной бригады. По окончании срока действия лесорубочных билетов лесосеки были приняты лесничим по акут освидетельствования без нарушений.

Рис. 3.4 Схема разработки лесосеки, находящейся в квартале 99, выдел 22, год разработки – 2003 64

Рис. 3.5 Схема разработки лесосеки, находящейся в квартале 100, выдел 12, год разработки – 2004 Способ лесовозобновления на всех лесосеках был выбран - естественное последующее лесовозобновление, что связано с малой площадью лесосек, небольшим количеством подроста (1000 шт/га) при высоте 1,0 м и возрасте 10 лет. Лесосека находящаяся в выделе 35 квартала № 102 (Рис. 3.3) характеризуется следующими основными показателями: площадь – 0,9 га; формула породного состава: 5Е110С704Б80; средняя высота хлыста – 20 м; средний диаметр хлыста на высоте груди – 22 см; класс бонитета – IV; полнота насаждения – 0,7; средний запас леса на гектаре – 250 м3/га. Тип леса – черничник влажный. Лесосека находящаяся в выделе 22 квартала № 99 (Рис. 3.4) характеризуется следующими основными показателями: площадь – 1,1 га; формула породного состава: 9Е100Ос90; средняя высота хлыста – 25 м; средний диаметр хлыста на высоте груди – 26 см; класс бонитета – II; полнота насаждения – 0,8; средний запас леса на гектаре – 380 м3/га. Тип леса – черничник свежий. Лесосека находящаяся в выделе 12 квартала № 100 (Рис. 3.5) характеризуется следующими основными показателями: площадь – 1,3 га; фор65

мула породного состава: 7Е1103С110; средняя высота хлыста – 24 м; средний диаметр хлыста на высоте груди – 26 см; класс бонитета – III; полнота насаждения – 0,7; средний запас леса на гектаре – 320 м3/га. Тип леса – черничник свежий. Почвенно-грунтовые и рельефные условия лесосек сходные, во всех случаях подстилающими грунтами являлись суглинки. Лесосека 1 имела модергумусную подстилку на среднеподзолистом горизонте, лесосека 2 имела моргумусную подстилку на среднеподзолистом горизонте, лесосека 3 имела моргумусную подстилку на сильноподзолистом горизонте. Для изучения строения почвы на каждом волоке были сделаны почвенные разрезы на глубину 1 метр (пример почвенного разреза приведен на рис. 3.7). Перед первым проходом трактора, трассы пасечных волоков были разбиты на пикеты с расстоянием между пикетами 1 метр. На каждом пикете были взяты пробы естественной плотности лесной почвы, причем тонкие корни и незначительные препятствия цилиндрический нож устройства легко перерезал, а в случае если нож встречал значительные препятствия (крупные корни, камни), то место взятия пробы несколько смещалось. Общий получаемых кернов почвы представлен на Рис. 3.6.

Рис. 3.6 Общий вид получаемых кернов почвы Затем после каждого прохода трелевочного трактора на каждом пикете бралась проба плотности почвы в следе гусеничного движителя и в следе волочащейся части пачки, причем всякий раз место забора пробы несколько смещалось, что бы исключить влияние пробы взятой до этого. Пробы брались на всех тех пикетах мимо которых прошел трактор с пачкой за данный заход. Пробы брались на пикетах до окончания разработки пасеки. 66

Образцы (керны) почвы помещались каждый в герметично закрывающийся пакет и снабжались биркой с указанием номера пикета, номера прохода и способа трелевки, и в дальнейшем взвешивались в лабораторных условиях, что позволило свести к минимуму погрешности, неизбежно возникающие в полевых условиях. Также при выполнении экспериментальных исследований проводилось общее обследование вырубок прошлых лет, находящихся в квартале 99 и 146. Схемы разработки обследуемых лесосек приведены на рис. 3.10-3.12. В результате обследования давалась общая оценка степени повреждения почвы, были изучены особенности рельефа, в т.ч. нанорельефа. Нанорельеф почв вырубок обусловлен главным образом воздействием техники. Ат

0 – 5 см. – пронизанная корнями оторфованная лесная подстилка.

А1

5 – 12 см. – темно-серый оторфованный хорошо разложившийся, переход извилистый. А2

12 – 18 см. – серый, оподзоленный, супесь, затеки гумуса, переход четкий. В1

18 – 40 см. – белесая с ржавыми вкраплениями, суглинок, железистые включения.

Иллювиально-железистый гумусовый подзол. Рис 3.7 Схема почвенного разреза полученного на лесосеке находящейся в выделе 12, квартал № 100 В процессе общего обследования вырубки установлены классы (категории) повреждений почвы. Таких классов (категорий) выделено восемь. 1 категория - повреждений нет или слабое нарушение подстилки (уплотнение, разрывы) обусловленные слабым воздействием крон деревьев при их трелевке (Рис. 3.8). 67

Рис. 3.8 Слабая степень повреждения почвы 2 категория - сильно повреждена или полностью уничтожена подстилка без нарушений других генетических горизонтов. Уничтожение или повреждения подстилки здесь также обусловлены кронами при трелевке. 3 категория - перемешаны верхние генетические горизонты (А0, А1, А2) до иллювиального, верхний смешанный горизонт (Асмеш) ещё слабо минерализован. 4 категория - перемешаны все основные генетические горизонты, включая иллювиальный. В отдельных случаях до материнской породы. Верхний горизонт (Асмеш) сильно минерализован. 5 категория - образование выбоин (ям) в виде каналов до иллювиального горизонта, иногда до материнской породы. Глубина выбоин более 20 см, иногда достигает 50-60см (Рис. 3.9). 6 категория - бугры (холмики) чаще всего в виде пластов как при вспашке. Образованы двумя смешанными гумусированными горизонтами при воздействии гусениц трелевочного трактора сгребанием смешанного горизонта и переноса его на рядом лежащие площади. Высота бугров как правило в пределах 10-30 см. 7 категория - сплошной слой порубочных остатков, перемешанных с почвой. Эта категория образуется на площадках обрезки сучьев. Мощность порубочных остатков от 20 см до 1 м и более. 8 категория - площади занятые пнями.

68

Рис. 3.9 Сильное повреждение почвы (5 категория)

Рис. 3.10 Схема разработки лесосеки, находящейся в квартале 99, выдел 18, год разработки – 1993 69

После установления категорий повреждения почвы проводилось картирование почвенного покрова по маршрутному ходу на полосе шириной 4 м. Маршрутный ход выбирался в характерном для вырубки месте с обязательным пересечением всех элементов рельефа. Оценка почвенного покрова проводилась глазомерно по двухметровым отрезкам. Длина маршрутного хода, в зависимости от площади вырубки, составляла от 250 до 450 м. Заканчивалось картирование почвы у стены леса, с обязательным заходом в лес для морфологического описания профиля почвы, ненарушенного лесозаготовительной техникой.

Рис. 3.11 Схема разработки лесосеки, находящейся в квартале 99, выдел 25, год разработки – 2000 Лесосека находящаяся в выделе 18 квартала № 99 (Рис. 3.10) характеризуется следующими основными показателями: площадь – 10,4 га; формула породного состава: 5Е100С703Б80Ос80; средняя высота хлыста – 22 м; средний диаметр хлыста на высоте груди – 24 см; класс бонитета – III; полнота насаждения – 0,8; средний запас леса на гектаре – 250 м3/га. Тип леса – черничник влажный.

70

Рис. 3.12 Схема разработки лесосеки, находящейся в квартале 146, выдел 2, год разработки – 1998 Лесосека находящаяся в выделе 25 квартала № 99 (Рис. 3.11) характеризуется следующими основными показателями: площадь – 3,4 га; формула породного состава: 5Е1004Б90Ос90; средняя высота хлыста – 23 м; средний диаметр хлыста на высоте груди – 24 см; класс бонитета – III; средний запас леса на гектаре – 350 м3/га. Тип леса – ельник-долгомошник. Лесосека находящаяся в выделе 2 квартала № 146 (Рис. 3.12) характеризуется следующими основными показателями: площадь – 4,3 га; формула породного состава: 4СЕ5Б; средняя высота хлыста – 24 м; средний диаметр хлыста на высоте груди – 26 см; класс бонитета – III; полнота насаждения – 0,7; средний запас леса на гектаре – 310 м3/га. Тип леса – черничник влажный. 3.2 Определение необходимого числа наблюдений и повторений опыта Необходимость обеспечения корректности проведения измерений и обеспечения их требуемой точности уже отмечалась нами в данной главе выше. Известно, что точность измерений характеризуется абсолютной ∆X ⋅ 100% ошибками, которые в свою ∆X = X − X или относительной X очередь представляют собой сумму систематической δ и суммарной ξ ошибок. Систематические ошибки при испытаниях техники являются 71

ошибками измерительных приборов и методов измерения, которые обычно известны и приводятся в техническом паспорте на прибор или могут быть измерены при помощи высокоточных эталонов. Случайные ошибки невозможно количественно прогнозировать с высокой точностью, так как они зависят от изменения условий измерения и степени изменчивости случайного процесса или величины. В большинстве случаях на точность результата эксперимента влияет и сам объект исследования, характеризующийся своей неоднородностью, это относится и к лесным почвам, поэтому плотность почвы следует измерять как можно точнее. Перед началом проведения эксперимента была сделана пробная серия опытов для определения необходимого количества повторений. Полученные данные плотности почвы естественного сложения обрабатывались методом вариационной статистики с вычислением математического ожидания М, средней ошибки ±m, среднеквадратического отклонения σ, показателя точности Р, коэффициента вариации V. Указанные статистические величины были рассчитаны по следующим формулам:

m=± P= V=

σ

,

(3.2)

m ⋅100 , M

(3.3)

⋅ 100,

(3.4)

σ

M

n

В таблице 3.1 приведены основные математические характеристики объемного веса почвы на волоке-полигоне. Таблица 3.1 Основные математические характеристики объемного веса почвы n M σ m V P 10 0,72 0,18 0,036 13,3 4,1 Из руководств по вариационной статистике известно, что число наблюдений n, коэффициент вариации V и точность исследования P связаны следующей зависимостью:

n=

t 2V 2 , 2 P

где: t – коэффициент доверия, означающий отношение числа случаев, в которых точность выше или равна заданной, к числу случаев в которых точность ниже принятой.

72

При коэффициенте доверия, равном 1, обеспечивается получение верных данных лишь в двух случаях из трех, что явно не достаточно. При коэффициенте доверия 2 обеспечивается 19 верных определений из 20 и при коэффициенте 3 – 384 из 385, т.е. в последнем случае вероятность практически переходит в достоверность. Наблюдения с вероятностью 0,996 практически не осуществимы, т.к. требуется очень большая повторность. Достаточно бывает вероятности 0,95 (коэффициент доверия 2), которую приняли в дальнейших расчетах [49, 61, 108-110]. Таким образом, для определения плотности исследуемой почвы с точностью не ниже 5% с вероятностью 0,950 принимаем количество повторений равное 31. Следовательно, длины участков волоков с различным числом проходов по ним удовлетворяют требованиям проведения эксперимента.

73

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ При исследовании технических систем используются теоретические и эмпирические методы познания. Каждое из этих направлений обладает относительной самостоятельностью, имеет свои достоинства и недостатки [121]. В общем случае, теоретические методы в виде математических моделей позволяют описывать и объяснять взаимосвязи элементов изучаемой системы или объекта в относительно широких диапазонах изменения переменных величин [122]. Однако при построении теоретических моделей неизбежно введение каких-либо ограничений, допущений, гипотез и т.п. Поэтому возникает задача оценки достоверности (адекватности) полученной модели реальному процессу или объекту. Для этого проводится экспериментальная проверка разработанных теоретических моделей. Практика является решающей основой научного познания. В ряде случаев именно результаты экспериментальных исследований дают толчок к теоретическому обобщению изучаемого явления. Экспериментальное исследование дает более точное соответствие между изучаемыми параметрами [123]. Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования дополняют друг друга и являются составными элементами процесса познания окружающего нас мира [124]. Результаты экспериментальных исследований нуждаются в определенной математической обработке. В настоящее время процедура обработки экспериментальных данных достаточно хорошо формализована и ее необходимо только правильно использовать [121-125]. Круг вопросов, решаемых при обработке результатов эксперимента, не так уж велик. Это − вопросы подбора эмпирических формул и оценка их параметров, вопросы оценки истинных значений измеряемых величин и точности измерений, вопросы исследования корреляционных зависимостей и некоторые другие [126, 127]. В наших исследованиях основными задачами, решаемыми при помощи натурных экспериментальных исследований в производственных условиях, являлись получить подтверждение адекватности разработанной математической модели оценки процессов деформирования при циклическом уплотнении почвы, модели для определения оптимального числа рейсов трелевочной системы по одному следу, а также получение данных для разработки формулы позволяющей связать транспортную нагруженность волока с уплотнением почво-грунта.

74

4.1 Получение характеристик изменения плотности почвы от числа проходов трелевочных систем Целью любого эксперимента является определение качественной и количественной связи между исследуемыми параметрами, либо оценка численного значения какого-либо параметра. Целью математической обработки результатов эксперимента является представление результатов наблюдений в виде наиболее простой формулы с оценкой возможной погрешности ее использования. Под измерением понимают сравнение измеряемой величины с другой величиной, принятой за единицу измерения. Различают два типа измерений: прямые и косвенные. При прямом измерении измеряемая величина сравнивается непосредственно со своей единицей меры. Например, измерение микрометром линейного размера, промежутка времени при помощи часовых механизмов, температуры − термометром, силы тока − амперметром и т.п. Значение измеряемой величины отсчитывается при этом по соответствующей шкале прибора. При косвенном измерении измеряемая величина определяется (вычисляется) по результатам измерений других величин, которые связаны с измеряемой величиной определенной функциональной зависимостью. Например, измерение скорости по пройденному пути и затраченному времени, измерение плотности тела по измерению массы и объема, температуры при резании по электродвижущей силе, величины силы − по упругим деформациям и т.п. В нашем случае использовался косвенный метод измерения плотности почвы – по измеряемой массе, при известном объеме керна вычислялась его плотность. Полученные, по методике описанной в главе 3, значения плотности кернов почвы заносились в журнал, после чего была проведена их математическая обработка по следующей известной [121-127] методике: 1. Вычисляли среднее значение измерений (математическое ожидание) 1 n а = ∑ ai n i=1 2. Определяли погрешности отдельных измерений как Vi = а − аi; 3. Вычисляли квадраты погрешностей отдельных измерений Vi 2; 4. Измерения резко отличающиеся по своим значениям от остальных измерений, проверялись на промах. При исключении одного или нескольких измерений пункты 1...4 повторялись; 5. Определяли среднюю квадратичную погрешность результата серии измерений

75

n

∑V

2

i

Sa =

6. 7. 8. 9.

i =1

. n (n − 1) Определяли коэффициент Стьюдента tα (n) для выбранной надежности α и числа проведенных измерений n; Находили границы доверительного интервала ∆х = tα (n)⋅Sa Получали окончательный результат в виде: X = a ± ∆x ; Оценивали относительную погрешность результата серии измерений е=

∆õ 100% . à

В дальнейшем рассчитывались основные параметры и строились законы распределения изучаемой физической величины – плотности почвогрунта лесосеки. В многочисленных работах предшественников, например [19, 44, 45, 128] доказано, что плотность лесных почвогрунтов, как естественного сложения, так и после воздействия на них движителей лесозаготовительных машин, подчиняется нормальному закону распределения. Известно, что механизм формирования нормально распределенных случайных величин состоит в следующем: такие величины формируются под воздействием очень большого числа независимых случайных факторов, причем сила воздействия каждого отдельного фактора мала и не может превалировать среди остальных. Во многих случайных величинах проявляется эффект большого числа независимых причин, отсюда и широкое применение нормального закона на практике. В случае отклонения экспериментальных данных от нормального закона его удается использовать в качестве первого приближения, при этом не редко оказывается, что подобное допущение дает достаточно точные с практической точки зрения результаты. Нормальное распределение является двухпараметрическим, т.е. характеризуется двумя числовыми статистиками: математическим ожиданием – x и средним квадратичным отклонением σ. В табл. 4.1 приведены основные статистики законов распределения плотности почвы естественного сложения и после каждого из девяти полных рейсов трелевочной системы. Кроме того, в табл. 4.1 приведены значения транспортной нагруженности, вычисленные по формуле (2.16) для каждого рейса трактора, причем вместо величины грузооборота для всего пасечного волока брался усредненный объем пачки, трелюемой за один рейс трелевочной системы. 76

Таблица 4.1 Статистики закона распределения плотности почвогрунта Число Лесосека 1 Лесосека 2 Лесосека 2 Транспортная проходов Мат. дисМат. дисМат. дистрелевочожи- персия ожи- персия ожи- персия нагруженной сис- дание плот- дание плот- дание плоттемы ность, плот- ности плот- ности плот- ности АГР, ности почвы, ности почвы, ности почвы, 3 2 3 2 3 2 кН·км почвы, (т/м ) почвы, (т/м ) почвы, (т/м ) 3 3 3 т/м т/м т/м 0 0,82 0,23 0,89 0,198 0,95 0,193 0 1 1,04 0,177 1,06 0,141 1,09 0,168 12,5 2 1,19 0,132 1,18 0,121 1,22 0,139 25,0 3 1,36 0,118 1,29 0,108 1,40 0,119 37,5 4 1,49 0,099 1,42 0,099 1,51 0,099 50,0 5 1,59 0,092 1,53 0,091 1,6 0,089 62,5 6 1,65 0,089 1,61 0,088 1,66 0,084 75,0 7 1,69 0,087 1,67 0,084 1,75 0,082 87,5 8 1,72 0,086 1,70 0,081 1,78 0,080 100 9 1,73 0,085 1,71 0,080 1,80 0,079 112,5 10 1,74 0,084 1,72 0,079 1,81 0,077 125 Полученные экспериментальная данные были обработаны при помощи прикладных программ для ПЭВМ «Statistica 5.0», «Matcad 2005. Proffessional» и «Excel 2005», входящей в пакет прикладных программ «Office XP Professional» для операционной системы Windows ХР. С помощью указанных программ из массивов экспериментальных данных были получены основные статистики законов распределения плотности почвы, представленные в табл. 4.1, и их графическая интерпретация, представленная на рис. 4.1-4.3. На рис. 4.1-4.3 представлены графики законов распределения плотности почвогрунта от естественного сложения до десятого двойного прохода трелевочной системы по волокам трех исследуемых лесосек.

77

Рис. 4.1 Графики законов распределения плотности почвогрунта от естественного сложения до десятого двойного прохода трелевочной системы для лесосеки № 1: 1-10 - проходы Как следует из анализа данных табл. 4.1 и рис. 4.1 за четыре двойных прохода трелевочной системы математическое ожидание плотности почвы возросло, что привело достижению относительной плотностью значения ρ =1,55-1,6, сравнение полученных экспериментальных данных, с данными, приведенными на рис. 2.4 свидетельствует о достаточной точности теоретических расчетов.

78

Рис. 4.2 Графики законов распределения плотности почвогрунта от естественного сложения до десятого двойного прохода трелевочной системы для лесосеки № 2: 1-10 - проходы

79

Рис. 4.3 Графики законов распределения плотности почвогрунта от естественного сложения до десятого двойного прохода трелевочной системы для лесосеки № 3: 1-10 - проходы Для определения закона аппроксимации, наиболее точно описывающего изменения математического ожидания и дисперсии плотности почвогрунта, характер которых хорошо виден на рис. 4.1 – 4.3 при помощи программы Excel 2005 была проведена переборка законов, что графически отражено на рис. 4.4 – 4.9.

80

Рис. 4.4 Экспериментальные и аппроксимирующие графики изменения математического ожидания плотности почвы от числа двойных проходов трелевочной системы (N) для волоков лесосеки № 1: а) линейная аппроксимация; б) полиноминальная второй степени; в) степенная; г) логарифмическая; 1 – экспериментальная кривая; 2 – линия аппроксимации; 3 – аппроксимирующее выражение и коэффициент аппроксимации

81

Рис. 4.5 Экспериментальные и аппроксимирующие графики изменения математического ожидания плотности почвы от числа двойных проходов трелевочной системы (N) для волоков лесосеки № 2: а) линейная аппроксимация; б) полиноминальная второй степени; в) степенная; г) логарифмическая; 1 – экспериментальная кривая; 2 – линия аппроксимации; 3 – аппроксимирующее выражение и коэффициент аппроксимации

82

Рис. 4.6 Экспериментальные и аппроксимирующие графики изменения математического ожидания плотности почвы от числа двойных проходов трелевочной системы (N) для волоков лесосеки № 3: а) линейная аппроксимация; б) полиноминальная второй степени; в) степенная; г) логарифмическая; 1 – экспериментальная кривая; 2 – линия аппроксимации; 3 – аппроксимирующее выражение и коэффициент аппроксимации Как видно из графика экспериментальная кривая близка к логарифмической, это позволяет утверждать, что разработанные в главе 2 модели оценки процессов деформирования при циклическом уплотнении почвы не противоречат по характеру полученным при натурном производственном эксперименте данным.

83

Рис. 4.7 Экспериментальные и аппроксимирующие графики изменения дисперсии плотности почвы от числа двойных проходов трелевочной системы (N) для волоков лесосеки № 1: а) линейная аппроксимация; б) полиноминальная второй степени; в) степенная; г) логарифмическая; 1 – экспериментальная кривая; 2 – линия аппроксимации; 3 – аппроксимирующее выражение и коэффициент аппроксимации

84

Рис. 4.8 Экспериментальные и аппроксимирующие графики изменения дисперсии плотности почвы от числа двойных проходов трелевочной системы (N) для волоков лесосеки № 2: а) линейная аппроксимация; б) полиноминальная второй степени; в) степенная; г) логарифмическая; 1 – экспериментальная кривая; 2 – линия аппроксимации; 3 – аппроксимирующее выражение и коэффициент аппроксимации

85

Рис. 4.9. Экспериментальные и аппроксимирующие графики изменения дисперсии плотности почвы от числа двойных проходов трелевочной системы (N) для волоков лесосеки № 2: а) линейная аппроксимация; б) полиноминальная второй степени; в) степенная; г) логарифмическая; 1 – экспериментальная кривая; 2 – линия аппроксимации; 3 – аппроксимирующее выражение и коэффициент аппроксимации Данные рис. 4.7 – 4.9 позволяют отметить еще одну важную особенность деформирования лесных почвогрунтов с ростом числа двойных проходов трелевочной системы, а именно – эффект его упаковки и формирования более жесткой структуры почвы. Как видно при увеличении числа двойных проходов трелевочной системы, наряду с ростом значения математического ожидания плотности почвогрунта, наблюдается постепенное снижение дисперсии плотности, и начиная именно с четвертого – пятого рейсов формы кривых распределения мало отличаются по форме между собой, что свидетельствует о переходе почвогрунта из состояния аморфной и слабосвязанной структуры к более определенной, с прогнозируемыми физико-механическими характеристиками. Данные показывают, что на 86

стадии 4-5-ти рейсов трелевочной системы дисперсия плотности почвогрунта снизилась почти в 2 раза, тогда как за последующие 4-5 рейсов – всего на 25 %. 4.2 Получение корреляционной зависимости между транспортной нагруженностью и уплотнением почвогрунта лесосеки Как уже отмечалось в главе 1 наиболее предпочтительным путем повышения экологической эффективности главного пользования лесом является совершенствование именно технологии работ, поскольку создание специальных систем машин для каждого типа природно-производственных условий является весьма проблематичным. Вместе с тем понятно, что разрабатываемые рекомендации должны быть как можно более простыми и их можно было бы проектировать исходя из небольшого числа легко рассчитываемых и учитываемых факторов. В главе 2 было отмечено, что одним из основных показателей работы первичного транспорта леса является транспортная нагруженность, которая связана, как было показано, с площадью пасеки, запасом леса на гектаре, плотностью древесины, эксплуатационным весом трактора и длиной волока, длиной ленты набора пачки. Перечисленные показатели всегда имеются в распоряжении инженера-технолога (мастера леса, начальника службы лесозаготовок). Следовательно, можно утверждать, что показатель транспортной нагруженности в кН·км является несложно определяемым фактором, который при наличии тесной связи с уплотнением лесного почвогрунта будет позволять легко прогнозировать оптимальное число двойных проходов трелевочной системы по одному следу для доведения плотности до оптимальной, с точки зрения последующего естественного лесовозобновления. Известно [129, 130], что меру зависимости переменных представляет собой корреляция. Наиболее известна корреляция Пирсона (r), которая представляет собой меру линейной зависимости двух переменных. Если возвести его в квадрат, то полученное значение коэффициента детерминации r2 представляет долю вариации, общую для двух переменных (иными словами, "степень" зависимости или связанности двух переменных). Чтобы оценить зависимость между переменными, нужно знать как "величину" корреляции, так и ее значимость. Уровень значимости, вычисленный для каждой корреляции, представляет собой главный источник информации о надежности корреляции. Значимость определенного коэффициента корреляции зависит от объема выборок. Критерий значимости основывается на предположении, что распределение остатков (т.е. отклонений наблюдений 87

от регрессионной прямой) для зависимой переменной y является нормальным (с постоянной дисперсией для всех значений независимой переменной x). Две переменные могут быть связаны таким образом, что при возрастании значений одной из них значения другой убывают. Это и показывает отрицательный коэффициент корреляции. Про такие переменные говорят, что они отрицательно коррелированы. Априори понятно, что если между транспортной нагруженностью путей первичного транспорта леса и уплотнением почвы на них существует тесная связь, то она может быть только положительной корреляцией, т.е. при возрастании транспортной нагруженности будет возрастать и уплотнение почвы в следе трелевочных систем. При обработке полученных при проведении экспериментальных исследований данных была сделана попытка получить линейную зависимость между исследуемыми величинами, в результате был получено следующее уравнение регрессии Агр=169,542·ρ-130,076, где: Агр – транспортная нагруженность волока, кН·км; ρ – плотность почвогрунта, т/м3. При этом был получен коэффициент корреляции R=0,983625, что свидетельствует о весьма тесной связи между транспортной нагруженностью и плотностью почвы. В дальнейшем, для проверки качества выполненного регрессионного анализа при помощи программы «Excel 2005», входящей в пакет прикладных программ «Office XP Professional» для операционной системы Windows ХР, была сделана попытка получить полиноминальную регрессионную зависимость между транспортной нагруженностью и плотностью почвогрунта трелевочного волока. В [130] отмечается, что при сравнении качества регрессии, оцененной по различным зависимым переменным, полезно исследовать доли объясненной и необъясненной дисперсии. Доля дисперсии зависимой переменной, объясненной уравнением регрессии, называется коэффициентом детерминации. В двумерном случае коэффициент детерминации совпадает с квадратом коэффициента корреляции. Из вышеизложенного видно, что в нашем случае зависимость подпадает как раз под двухмерную модель. В результате решения поставленной задачи была получена следующая зависимость: Aгр = 146,83ρ 2 − 140,14ρ + 26,552 , а коэффициент детерминации для данного выражения составил R2=0,9898, что свидетельствует о хорошей сходимости полиноминальной регрессион88

ной модели с полученными во время проведения экспериментальных исследований данными. Полученные линейная и полиноминальная регрессионные модели, с высокими значениями коэффициента корреляции и детерминации позволяют утверждать, что между транспортной нагруженностью трелевочных волоков и уплотнением почвы на них существует весьма тесная связь. Кроме того, полученные зависимости позволяют с большой долей вероятности прогнозировать конечную плотность почвы на участках волоков с различными значениями транспортной нагруженности, а, следовательно, и управлять процессом уплотнения лесной почвы для достижения ею оптимальных значений, с точки зрения последующего естественного лесовозобовления. 4.3 Результаты обследования вырубок прошлых лет Как отмечалось в главе 3, в программу натурных экспериментальных исследований также входило обследование состояния почвенного покрова вырубок прошлых лет, которые также отбирались на территории Ефимовского лесхоза Бокситогорского района Ленинградской области. Описание системы машин, технологии разработки лесосек, а также их природно-производственные условия к моменту главной рубки брались из имеющихся в конторе лесхоза технологических карт на разработку лесосек (см. главу 3, Рис. 3.10-3.12 и описания к ним). Отметим, что все указанные лесосеки по окончании разработки были приняты лесничим по акту освидетельствования без нарушений, о чем имеется соответствующая документация. Результаты обследования площади вырубок разных лет приведены в табл. 4.2. Результаты обследования площади лесосек после их разработки показали, что с увеличением срока давности разработки лесосеки степень повреждения почвогрунта уменьшается, что вполне понятно объясняется упругой устойчивостью (способностью восстанавливаться) лесной экосистемы. Также можно отметить, что процент сильных повреждений почвы увеличивается по мере приближения ходов от периферии лесосеки к верхнему складу. Многократное движение трелевочного трактора по одной и той же площади вызывает сильное повреждение почвы. Участки вырубки, где наблюдается перемешивание верхних генетических горизонтов (А0+А1+А2), отнесены к третьей категории (3). Строение профиля такой почвы образованной под воздействием лесозаготовительной техники, следующее: Асмеш+В+С. С точки зрения последующего естественного возобновления и влияния этой категории повреждения на окружающую среду, наибольший 89

интерес представляет анализ строения и состава верхнего смешанного горизонта (Асмеш). Мощность его обусловлена мощностью перемешанных горизонтов (А0+А1+А2) и воздействием техники (рыхление, уплотнение). Мощность изменяется в пределах 10-20 см. Цвет этого горизонта определяется степенью минерализации, которая зависит от мощности подзолистого горизонта. В наибольшей степени минерализация Асмеш наблюдается на вырубках где гумусовый горизонт небольшой мощности, а А2 хорошо выражен, с мощностью более 10 см. Степень минерализации на этих вырубках обусловлена также местоположением этой категории. На склоне она усиливается, благодаря выносу легких частиц гумуса при образовании поверхностного стока. Таблица 4.2 Распределение площади вырубки по степени повреждений Категории (степень Год разработки лесосеки повреждений) 1993 1998 2000 Распределение площади % Нет повреждений 69 52 10 1 24 2 (слабая) 7 25 3 (средняя) 15 18 15 4 (сильная) 3 4 5 5 (сильная) 2 4 1 6 (сильная) 1 2 3 7 8 8 14 8 2 3 3 100 100 100 Итого По методике, приведенной в главе 2 для различных участков лесосек было определено теоретическое значение транспортной нагруженности. В зависимости от ее интенсивности площади вырубок были разбиты на участки. Плотность почвы на участках не измерялась, поскольку без определения закона релаксации почвы по времени эти данные были бы не корректны. В связи с этим, влияние транспортной нагруженности на физикомеханические свойства почвогрунтов лесосеки на вырубках разных лет определялось по успешности последующего естественного лесовозобновления, которое, во многом, и является целью настоящих исследований. В результате сравнения теоретических значений транспортной нагруженности лесосеки, данные для определения которой брались из архивной документации лесхозов, с натурным обследованием лесосек позволили придти к следующим выводам.

90

Участки волоков с транспортной нагруженностью в пределах 87,5-100 кН·км, что соответствует числу проходов в районе 6-8 шт. имеют весьма удовлетворительное последующее естественное лесовозобновление либо главной породой в чистом виде (Рис. 4.10), либо в примеси с лиственными породами – пионерами (Рис. 4.11).

Рис. 4.10 Последующее естественное возобновление ели на пасечном волоке (вырубка 1993 г).

91

Рис. 4.11 Последующее естественное возобновление березы и ели на пасечном волоке (вырубка 1993 г).

92

Можно предположить, что ель, как порода требовательная к почвенным условиям, является хорошим индикатором благоприятности физикомеханических свойств почвы для успешного лесовозобновления. Участки лесосеки с транспортной нагруженностью более 100 кН·км, что соответствует участкам с числом проходов 9 и более возобновляются крайне слабо и только лиственными породами - пионерами, или не возобновляются совсем и задерняются (Рис. 4.12, 4.13).

Рис. 4.12 Задерненный участок с транспортной нагруженностью более 100 кН·км (вырубка 1998 г).

Рис. 4.13 Участок вырубки с транспортной нагруженностью более 100 кН·км без лесовозобновления (вырубка 2000 г). 93

Отметим, что с точки зрения лесовозобновления задернение почвы играет отрицательную роль, существенно увеличивая продолжительность оборота рубки, и сокращая, тем самым, расчетную лесосеку. 4.4 Выводы по главе 4 В результате проведенной работы по обработке результатов всех этапов натурных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы: 1. Транспортная нагруженность путей первичного транспорта леса имеет тесную прямую зависимость с уплотнением почвогрунтов и наилучшим образом описывается полиноминальной регрессионной зависимостью вида второй степени. 2. Исследование экспериментально полученных данных показали, что под действием движителей лесозаготовительной техники изменяются обе статистики закона нормального распределения плотности почвогрунта, при этом математическое ожидание плотности почвы растет, что наилучшим образом описывается полиноминальной регрессионной зависимостью вида второй степени, а дисперсия плотности почвы уменьшается, что наилучшим образом описывается степенным законом. Данный факт свидетельствует о переходе почвогрунта из состояния аморфной и слабосвязанной структуры к более определенной, с прогнозируемыми физико-механическими характеристиками. 3. Разработанное устройство для оперативной оценки влияния лесозаготовительной техники на лесные почвогрунты показало хорошую работоспособность и может рекомендоваться для широкого применения в дальнейших исследованиях. 4. Обследования вырубок прошлых лет позволяют утверждать, что на участках волоков с транспортной нагруженностью в пределах 87,5-100,0 кН·км физико-механические свойства почвы доводятся до оптимальных, с точки зрения последующего естественного лесовозобновления, что подтверждается успешным возобновлением ели. Участки волоков с транспортной нагруженностью более 125 кН·км возобновляются плохо, или (за 0,5 класса возраста) не возобновляются совсем.

94

ГЛАВА 5. ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ТРУДНОДОСТУПНЫХ ЛЕСОСЕК По данным Федерального агентства по лесному хозяйству на 2007 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 почвенногрунтовым 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 2007 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. В последние годы указанная проблема встала весьма остро, это связано, во-первых со значительным повышением среднемесячных температур в зимнее время года – это привело к невозможности освоения лесосек на переувлажненных и заболоченных почвогрунтах, традиционно разрабатываемых в зимний период, во-вторых с истощением запасов спелого леса в удобных разработки лесных массивах – расположенных на равнинных сухих площадях. Кроме того, повышение таможенных пошлин на экспорт древесины в круглом виде должно увеличить объемы деревопереработки в СЗФО, что, при использовании только традиционной системы машин для 95

лесосечных работ, приведет существенному дефициту местного древесного сырья. 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. 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 – 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. 5.1. Технологические процессы основных работ при разработке труднодоступных лесосек Известно, что основным способом повышения экономической эффективности проведения лесосечных работ является внедрение специализированных лесозаготовительных машин, способных выполнять валку деревьев и ряд смежных технологических операций. Однако в условиях труднодоступных лесосек наиболее предпочтительной будет механизированная валка деревьев (при помощи бензиномоторных пил). Это связано с тем, что по расчетам отечественных экономистов и технологов бензиномоторные пилы в ближайшие два десятилетия будут экономически выгодны на лесозаготовках в РФ. Кроме того, вальщик с бензиномоторной пилой наносит лесной среде меньший вред, чем лесозаготовительная машина. Эти тезисы особенно актуальны для рассматриваемых природно-производственных условий, поскольку машины способные работать на крутых склонах стоят значительно больше обычных, предназначенных для работы в равнинных 96

условиях, а также в связи с тем, что лесная экосистема крутых склонов холмисто-грядовых рельефов значительно ранимее равнинных. При механизированной заготовке леса могут использоваться как универсальные (с низким расположением рукоятей), так и специализированные (с высоким расположением рукоятей) бензиномоторные пилы. Следует отметить, что с точки зрения эргономики процесса в обычных условиях предпочтительной представляется компоновка специализированных пил, называемых также «пилы для валки леса в равнинных условиях». Очевидно, что при значительных уклонах местности, в условиях холмистогрядовых рельефов наиболее предпочтительным будет использование универсальных бензиномоторных пил. Наиболее предпочтительной технологической схемой разработки труднодоступных лесосек представляется технологии, разработанная учеными Тихоокеанского государственного университета, с использованием минитракторов и самоходной канатной трелевочной установки, состоит из двух технологических цепочек – это трелевка, которая осуществляется мини трелевочными тракторами и транспортировка, которая ведется по принципу замкнутой канатной магистрали (ЗКМ). (Рис. 5.1) В качестве мини трелевочных тракторов, в зависимости от древостоя и времени года, могут применяться тракторы на колесном (рис. 5.2) или гусеничном ходу (5.3), которые осуществляют трелевку леса к замкнутой канатной магистрали, образуя промежуточные перегрузочные пункты.

Рисунок 1.1. Система машин для равнинных условий. 1- тяговая лебедка на базе автомобиля Урал или Камаз, 2- мини трелевочные трактора, 3- замкнутая канатная магистраль, 4- промежуточные перегрузочные пункты, 5транспортируемые пачки древесины, 6- основной разгрузочный пункт 97

Рис. 5.2 Мини трелевочный трактор на колесном ходу

Рис. 5.3. Мини трелевочный трактор на гусеничном ходу Деревья, произрастающие на склоне, как правило, имеют стволы с небольшим наклоном к подошве, а кроны – одностороннее развитие. Следовательно, центр тяжести ствола и кроны смещен от середины к подошве склона. Валка такого дерева не в сторону его природного наклона может привести к развороту ствола в момент падения и стать причиной несчастного случая. Поэтому на склонах деревья часто валят вершиной вниз по склону. Угол падения дерева на склоне значительно больше, чем на равнине, а это в свою очередь приводит к тому, что деревья, приобретая большую кинетическую энергию при свободном падении, ломаются и скользят вниз к подошве склона. Чтобы сберечь древесину от поломки, опытные вальщики производят валку деревьев под разными углами к подошве склона. Такая практика валки деревьев требует других соотношений между диаметром дерева, глубиной подпила и его формой. Кроме того, при валке деревьев на склоне приходится определять предельно допускаемую крутизну склона, на которой, исходя из условий нормального положения вальщика, можно делать подпил дерева. Так, для одного и того же склона, но для разных 98

диаметров деревьев необходима разная высота подпила, например, на склоне крутизной 40°, для дерева диаметром 30 см высота подпила составляет 0,55 м, а для дерева d= 140 см высота подпила - 135 см. Для того, чтобы спилить дерево d=0,6 м на склоне крутизной 100, необходимо подпилить его на высоте 0,3 м, а на склоне крутизной 34° подпил должен быть сделан на высоте 0,7 м, т.е. Высоту подпила необходимо увеличить в 2-3 раза. Для диаметров деревьев менее 0,3м высота подпила выразится: hn = 10 + g 0 dtgα , (5.1) где: hn - высота подпила; d - диаметр дерева на высоте груди; α - крутизна склона; g0 - коэффициент формы комля дерева, который зависит от породы и места произрастания. Ель, лиственница, дуб- 1,4; сосна, кедр, бук - 1,25. Для деревьев диаметром более 0,3 м:

 1 hn = g 0 d  + tgα  .  3

(5.2)

Известно, что вальщик не теряет устойчивость на склоне при высоте подпила до 0,7-0,8 м. Если эту высоту подпила принять за базовую, рис. 4.2, то деревья диаметром более 1,2 м можно валить на склонах до 14°, деревья диаметром до 0,9 м можно валить на склонах крутизной до 24° и деревья диаметром до 60 см можно валить на склонах до 40°. В зоне с высотой подпила более 1,0 м, начиная с крутизны склона 25°, валка деревьев диаметром более 1,2 м должна быть запрещена. Таким образом, при существующих механизмах, применяемых на валке леса в условиях холмисто-грядовых рельефов, в зависимости от крутизны склона не все деревья могут быть свалены с соблюдением правил техники безопасности и технологии лесозаготовок. Следует особое внимание уделить устойчивости вальщика на склоне в момент подпила дерева, для чего его необходимо снабдить специальной обувью с шипами, защитными очками, до минимума уменьшить массу пилы. Особое значение в пересеченной местности приобретает выбор направления валки деревьев. На склонах крутизной до 15° направление валки обычно определяется способом транспортного освоения лесосеки, наклоном дерева и другими факторами. По мере увеличения угла наклона местности валка деревьев как верх, так и вниз по склону становится неприемлемой. При валке вверх по склону, рис. 5.5, положение I, угол ε = 180°, значительно увеличивается опасность для вальщика, так как нет твердой уверенности в том, что дерево при падении упрется торцом комля в пень и не

99

будет скользить по поверхности грунта в направлении, где обычно находится вальщик. Перемещение упавшего дерева по склону наблюдается при валке деревьев, имеющих развитую крону с крупными сучьями. При падении такого дерева комель, отрываясь от пня, приподнимается и увлекает за собой остальную часть дерева вниз по склону. Скольжение дерева вниз по склону при валке его вершиной в гору может происходить также при неправильно проведенном подпиле или при падении ствола на какой-либо возвышающийся предмет (пень, ствол упавшего дерева, крупный камень), а также на возвышенность рельефа. При валке дерева вниз по склону, рис. 5.5, положение II, ε=0°, его ствол и крона описывают большую дугу, вследствие чего значительно увеличивается кинетическая энергия падающего дерева. После падения дерево перемещается вниз по склону, иногда на значительное расстояние, нередко с отломом вершины и трещиной ствола. Деревья же крупных размеров нередко разбиваются на отдельные части. Хотя особой опасности от падающего дерева для вальщика при таком направлении валки нет, подобный способ валки также нельзя признать рациональным из-за значительных потерь древесины.

Рис. 5.4 Ограничение валки деревьев на склоне по подпилу (спиливанию) в зависимости от крутизны склона и диаметра дерева 100

Не следует выполнять валку деревьев и в направлении вверх по склону под некоторым углом, рис. 5.5, положения VII, VIII; 90°<ε< 180°, так как нет никаких преимуществ по сравнению с валкой вверх по склону, рис. 5.5 положение I, этот способ не дает. Наиболее рациональной, с позиций безопасного ведения работ и сохранения древесины, следует считать валку поперек склона, рис. 5.5, положения III, IV; ε=90°. Однако при таком направлении валки деревьев от рабочего требуется особое умение управлять направлением падения дерева. Валка крупных деревьев поперек склона опасна. Наиболее приемлемой при работе на уклонах крутизной более 15° следует признать направление валки вниз по склону и под некоторым углом, рис. 5.5, положения V, VI; 0°<ε<900. Угол ε между направлением уклона и направлением падения дерева должен изменяться в зависимости от величины дерева и его наклона к подошве склона: чем меньше наклон и вес дерева, тем больше должен быть ε. При валке деревьев в пересеченной местности вниз по склону подпил обычно выполняется на несколько большую, чем обычно, глубину (в среднем на 1/3 d), то есть так же, как для деревьев с попутным наклоном ствола в равнинной местности. В условиях крутых склонов холмисто-грядовых рельефов, которые характеризуются большой шириной, но небольшой протяженностью склонов, наиболее предпочтительным направлением валки будет валка поперек склона, т.е. положения III и IV или близкие к ним. Это объясняется тем, что деревья растущие недалеко от подошвы или вершины склона не могут быть повалены вдоль склона из-за их вероятного разрушения. При большой протяженности склона (около 100 м) и равномерном расположении деревьев к указанной категории будет относится около 50%. Как уже отмечалось ранее операции очистки деревьев от сучьев и раскряжевки могут выполняться на лесосеке (у пня) и на верхнем складе. В условиях, когда поверхность лесосеки имеет значительные уклоны перед проведением этих операций, по требованиям безопасности, дерево необходимо закрепить для предотвращения его самопроизвольного перемещения. Это серьезно уменьшит производительность вальщика, поэтому наиболее целесообразным представляется перенос операций очистки деревьев от сучьев и раскряжевки на верхний склад, это также позволит сконцентрировать порубочные остатки и использовать их для укрепления временных путей транспорта леса.

101

Рис. 5.5 Направление валки деревьев на склонах и направления коридоров отхода. Цифры I-VIII обозначают различные положения деревьев при валке; подготовка рабочего мета вальщика: б) в холмистой местности при валке дерева на возвышение; в) в холмистой местности при валке поперек склона 5.2. Канатные трелевочные установки Поскольку, согласно правилам, на склонах крутизной более 15° волоки должны сооружаться в виде террас с планировкой поверхности, использование трелевочных тракторов в условиях крутых склонов холмистогрядовых рельефов представляется не целесообразным, тем более что их применение полностью исключается при достижении крутизны склона 20° и более. Из оставшихся средств механизации трелевки наиболее предпочтительными являются канатные трелевочные установки, поскольку трелевка при помощи летательных аппаратов (вертолетов и аэростатов) является чрезмерно затратной. Канатные трелевочные установки (КТУ) характеризуются возможностью передачи тягового усилия на значительные расстояния, при этом энергетическая установка остается на месте, а передача усилия произво102

дится канатной тягой. Основными узлами канатных установок являются: мачты, канатоблочная оснастка, лебедка и грузовая каретка (только у установок с несущим канатом), к которой при помощи чокеров крепятся трелюемые лесоматериалы. Мачты (опоры), в зависимости от типа установки подразделяются на головные, тыловые, и многопролетные установки, которые имеют также и промежуточные мачты, установленные между головной и тыловой. Мачты предназначены для крепления на них части канатоблочной оснастки (блоков поддерживающих и поднимающих над землей канаты). В качестве мачт могут быть использованы комлевые хвойные бревна, длиной 12-16 м, с диаметром в верхнем отрубе не менее 24 см, закрепленные 3-4 канатными растяжками, растущие хвойные деревья со спиленной вершиной на высоте 12-16 м, или специальные металлоконструкции. На вершину мачты надевается деревянный наголовник со скобами для крепления блоков и растяжек. Канатоблочная оснастка, в зависимости от типа установки, включает в себя тяговый, тягово-несущий, раздельно несущий и тяговогрузоподъемный, возвратный, а иногда отдельный грузоподъемный канаты. Помимо канатов, в оснастку входят: грузовой крюк, блоки талперы и др. Правила выбора применяемых канатов аналогичны правилам для кабель-крановых установок. Лебедки служат в качестве привода. Основными узлами лебедок канатных трелевочных установок являются двигатель, редуктор, барабаны и органы управления. Двигатель может быть электрическим и внутреннего сгорания, это зависит от возможности подключения лебедки к электропитанию на лесосеке, в подавляющем большинстве случаев в качестве двигателя служит дизельный ДВС. Барабаны лебедки имеют независимое управление, их количество и канатоемкость определяются конструкцией лебедки и назначением барабанов. Как правило, лебедки имеют несколько барабанов (3-6). Многобарабанные лебедки также называются агрегатными, т.к. большое число барабанов дает возможность выполнять несколько технологических операций без привлечения других механизмов. Барабаны подразделяются на основные и вспомогательные, рабочие и возвратные. Трелевка лесоматериалов обеспечивается рабочим и холостым (возвратным) барабанами. Холостой барабан предназначен для возврата на лесосеку рабочего каната и прицепного устройства (чокеров, грузовой каретки), остальные барабаны используются для погрузки и разворота подтрелеванных пачек. Грузовая каретка состоит из ходовых катков и подвешенной к ним рамы, на которой укрепляются блоки рабочего каната. Катки изготавливаются из стали, с целью увеличения срока службы они могут иметь футеровку. Обод катка должен иметь форму, дающую наибольшую поверх103

ность контакта с несущим канатом, что уменьшает давление катка на канат, и, в свою очередь, повышает его долговечность. Канатные трелевочные установки классифицируются по способу перемещения лесоматериалов, числу пролетов, числу канатов, способу создания запаса каната, подвижности привода (лебедки) и назначению (выполняемым технологическим операциям). Широкое использование канатных установок различной конструкции для трелевки древесины стало возможным с массовым применением в лесной промышленности лебедок. Первыми установками с канатной тягой были установки для наземной трелевки древесины лебедками ТЛ-3. Затем появились установки с более совершенными агрегатными лебедками ТЛ-4, ТЛ-5, Л-19, Л-20 и другими. Однако такие установки не нашли широкого применения, так как перемещение древесины по почво-грунту лесосек было связано с преодолением большого сопротивления движению и приводило к разрушению почвенного покрова и повреждению подроста. Полуподвесные установки, у которых часть веса транспортируемой пачки лесоматериалов принимали на себя тяговый или несущий канаты, являются более приемлемыми, так как их перемещение в полуподвешенном состоянии меньше нарушает почвенный покров и, кроме того, создает условия для расширения сбора древесины с площади лесосеки. Принцип работы установок заключается в транспортировке в полуподвешенном состоянии одного конца лесоматериалов с помощью тягового каната и подаче грузового крюка к месту прицепки с помощью холостой ветви каната. Полуподвесные установки подразделяются на два класса: без несущего каната и с несущим канатом. Установки без несущего каната применялись, в основном, в заболоченной местности. При их работе основную часть пути пачка перемещается, полностью соприкасаясь с поверхностью движения, а на расстоянии 50 – 60 м от мачты (в зависимости от ее высоты) передняя часть пачки приподнимается. Установки с несущим канатом (рис. 5.6) позволяют трелевать пачку в полуподвешенном состоянии от начала движения до головной мачты, что существенно уменьшает сопротивление движению. Примерами конструктивных решений полуподвесных установок могут служить однопролетные полуподвесные трелевочные установки без несущего и с несущим канатом, многопролетная подвесная трелевочная установка Восточно-Сибирского научно-исследовательского проектного института лесной и деревообрабатывающей промышленности, в которой сочетались транспортные и погрузочные операции, транспортно104

погрузочные установки Центрального научно-исследовательского института механизации и электрификации (ЦНИИМЭ) и другие.

Рис. 5.6. Схема полуподвесной канатной трелевочной установки с несущим канатом: 1 – головная мачта; 2 – тыловая мачта; 3 – несущий канат; 4 – грузовая каретка Трелевка древесины в подвешенном состоянии является более рациональной с точки зрения уменьшения сопротивления движению и воздействий на почвенный покров лесосеки по сравнению с неподвесной и полуподвесной трелевкой. На подвесных установках вес транспортируемого груза полностью передается несущему канату. Подвеска несущего каната на достаточной высоте устраняет влияние микрорельефа лесосеки на перемещение грузов, создает благоприятные условия для движения грузовой каретки и исключает возможность механического повреждения бревен. По характеру движения тягового каната подвесные установки, в свою очередь, подразделяются на: установки с маятниковым движением тягового каната и установки с кольцевым движением тягового каната. Первые имеют одну ветвь несущего каната, по которой одна или несколько грузовых кареток перемещаются к месту разгрузки, а затем возвращаются на лесосеку. Вторые имеют две ветви несущего каната и замкнутый контур тягового каната. По одной ветви несущего каната грузовые каретки перемещаются вместе с грузами к месту разгрузки, а по другой возвращаются к погрузочной площадке. Движение тягового каната в этом случае может быть прерывистым, с остановками для прицепа грузов, и непрерывным – с прицепкой грузов на ходу. Лесоспуски могут быть со свободным движением груза и регулируемым при помощи тягового каната или за счет изменения натяжения несущего каната (КТУ с переменной длиной несущего каната). Примерами простейших подвесных систем служат проволочные и канатные лесоспуски, у которых проволока или канат являются только несущим элементом, а движение грузов осуществляется под действием собственного веса. Лесоспуски могут быть со свободным движением груза и 105

регулируемым при помощи тягового каната или за счет изменения натяжения несущего каната (с переменной длиной несущего каната). Лесоспуски нашли применение при небольших объемах работ — на спуске с гор дров и других короткомерных сортиментов. Первыми в лесной промышленности специальными подвесными системами, снабженными несущим, тяговым и грузовым канатом, грузовой кареткой и лебедочным приводом, были кабель - крановые установки. Однако они имели обычно один рабочий пролет, сложную схему запаковки тяговых и грузовых канатов, сложное управление лебедкой и поэтому нашли применение только в качестве средств механизации погрузочноразгрузочных и штабелевочных работ на нижних складах. Создание схем с многопролетной навеской несущих канатов значительно расширило область применения временных подвесных канатных установок и позволило осуществлять сбор древесины внутри лесосек, от пня к линии несущего каната и спуск ее к подножию склона. По назначению (выполняемым технологическим операциям) канатные установки подразделяются на: трелевочные, трелевочно-погрузочные и погрузочные. Выбор типа лесотранспортной установки зависит от многих факторов и должен производиться в соответствии с ее назначением, т.е. удовлетворять требованиям выполняемой транспортной, а в ряде случаев и погрузочной операции. Производительность установки при этом должна быть наибольшей, а условия работы благоприятными для ее конструкции. Основными факторами, определяющими выбор типа установки, являются: топографические условия лесосырьевой базы; лесохозяйственные требования и методы разработки лесосек; требуемая производительность; размеры и вес трелюемых грузов; запас древостоя, тяготеющий к проектируемому пути; затраты на строительство установки; условия примыкания к основному пути вывозки, глубина лесосек и их концентрация. Выбор типа установки в каждом отдельном случае определяется рядом местных условий путем технико-экономического сравнения нескольких вариантов конструктивных решений. Однако установки, оправдывающие себя при сплошных рубках, зачастую могут стать малоэффективными на выборочных рубках, так как для их работы требуется устраивать просеки шириной 10 – 15м и иметь дополнительные средства для подтаскивания древесины к несущему канату. Требуемая производительность является одним из важных факторов, определяющих выбор типа установки. Основным критерием для оценки производительности канатной трелевочной установки является не ее протяженность, а расход времени на вспомогательные операции - подтаскивание древесины со стороны, формирование пачки, прицепку или погрузку и 106

последующую разгрузку. При сравнительно небольшой длине канатных установок (1,5-2 км) затраты времени на непосредственное перемещение груза обычно составляют 10-15% всего цикла, а расход времени на вспомогательные операции достигает на подвесных установках 75%. От степени механизации вспомогательных операций и правильной организации труда существенно зависит повышение производительности установки при прочих равных конструктивных показателях. Размеры и вес транспортируемых лесоматериалов определяют потребную мощность установки, ее конструктивные и геометрические параметры. Если при проектировании подвесных установок среднюю нагрузку на рейс принять равной нагрузке полуподвесных установок, производительность установки можно увеличить, но при этом соответственно увеличиваются вес установки и расходы на монтаж, а срок ее службы значительно сокращается, т.е. использование установки по времени уменьшается. Поэтому вес и размеры перемещаемых грузов должны строго сочетаться со всеми другими параметрами установки и со сроком ее эксплуатации. Для условий проведения лесосечных работ на крутых склонах холмистогрядовых рельефов наиболее предпочтительно использование самоходных КТУ, поскольку при разработке не больших по площади лесосек они дают лучшие технико-экономические показатели. Иркутский филиал ЦНИИМЭ разработал мобильные канатные установки с неопрокидывающимися мачтами, предназначенные для освоения горных лесосек с небольшим запасом леса на 1га (120-160м3), когда приходится часто перебазировать машины. Высота мачты позволяет трелевать деревья в подвесном и полуподвесном положениях со склонов крутизной 20° и более. По конструктивному исполнению мачты подразделяются на фронтального типа и с боковым расположением. Самоходные лебедки типа ЛС-2, ЛС-3, ЛС-4, ЛЛ-20, ЛЛ-28 снабжены неопрокидывающейся мачтой фронтального типа, выполненной в виде четырехзвенника, рис. 5.7 а, складывающегося в транспортном положении вдоль оси шасси. Наклонная стойка служит аутригером и связана с бульдозерным отвалом с помощью распора, а в верхней части – с грузовой стрелой, опирающейся шарнирно на шасси. Для самоходных установок большой грузоподъемности предложена принципиально новая фронтальная неопрокидывающаяся мачта, рис. 5.7 б, в которой мачта с помощью шнека ввинчивается в грунт. В рабочее и транспортное положения стрела переводится с помощью гидроцилиндров бульдозерного отвала и подъема грузовой стрелы. Верхняя часть наклонной стойки имеет систему блоков для канатов, нижняя – опорную плиту и шип. При установке мачты в рабочее положение наклонная стойка шипом внедряется в грунт и ставится на опорную плиту. Для снижения металлоемкости предложена облегченная конструкция неопрокидывающейся мач107

ты с наклонной стойкой, нижняя часть которой установлена на опорной плите, а верхняя удерживается канатной растяжкой, соединенной, как и опорная плита, непосредственно с шасси. Гидроцилиндр подъема грузовой стрелы размещен на опорной плите. На равнинных лесосеках в крупномерных древостоях может применяться мачта фронтального типа, наклонная стойка и грузовая стрела которой соединены между собой шарниром с установленной на нем телескопической опорой. Последняя также шарнирно соединена с помощью гидроцилиндра с наклонной стойкой, В зависимости от рельефа лесосеки и конкретных лесорастительных условий высота мачты выбирается путем изменения длины телескопической опоры. В транспортном положении телескопическая опора укладывается на наклонную стойку с помощью гидроцилиндра.

Рис. 5.7. Неопрокидывающиеся мачты самоходных лебедок: а– фронталь-ного типа с шипом; б– фронтального типа со шнеком; в– с боковым располо-жением на поворотной цапфе; г– с боковым расположением на поворотном круге. 1– шасси; 2– наклонная стойка; 3– бульдозерный отвал; 4– рас-пор; 5– грузовая стрела; 6– гидроцилиндр бульдозерного отвала; 7– гидроцилиндр подъема грузовой стрелы; 8– система блоков; 9– канаты; 10– опорная пята; 11– шип; 12– мачта; 13– шнек; 14–поворотная цапфа; 15– наклонная рама; 16– секция наклонной рамы; 17– гидроцилиндр секции наклонной рамы; 18- гидроцилиндр наклонной рамы; 19- гидроцилиндр вертикальной стойки; 20– вертикальная стойка; 21– гибкая растяжка; 22–поворотный круг

Преимущество мачт самоходных лебедок с боковым расположением по сравнению с фронтальными мачтами заключается в том, что при освоении лесосек шасси может перемещаться по лесовозному усу, не выполняя 108

технологических маневров. Однако конструкция узлов укладки мачты в транспортное положение несколько усложнена разворотным устройством, выполненным в виде поворотных цапф или круга. В самоходной лебедке К-59 использована мачта с боковым положением и поворотной цапфой, рис. 5.7 в. К шасси посредством цапфы шарнирно прикреплена наклонная рама, состоящая из двух секций, соединенных между собой гидроцилиндром. К секции крепятся гидроцилиндры подвески рамы и подъема вертикальной стойки, которая с помощью гибкой растяжки связана с шасси. При укладке в транспортное положение наклонная рама гидроцилиндром поднимается с грунта, затем с помощью цапфы вся система разворачивается, а вертикальная стойка укладывается гидроцилиндром. Чтобы уменьшить транспортные габариты, секция гидроцилиндром подгибается к раме (показано пунктиром).

Рис. 5.8. Фронтальная неопрокидывающаяся мачта самоходной лебедки ЛС-5: арабочее положение; б- транспортное положение. 1 – наклонная задняя ферма; 2 – наклонная передняя ферма; 3 – рабочие блоки; 4 – тягово-несущий канат; 5 – опорная площадка; б – рама трактора; 7 – базовый трактор; 8 – лебедка; 9 –кронштейн; 10- гидроцилиндры подъема задней наклонной фермы; 11 – полиспастная обойма; 12 – полиспаст 109

В самоходной лебедке ЛЛ-27 мачта с боковым расположением несколько упрощена. Вертикальная стойка перенесена непосредственно на поворотную цапфу, а наклонная рама выполнена цельной (без секций), в остальном конструкция осталась прежней. Несколько иначе выполнена мачта, рис. 5.7.г, в которой для ее укладки в транспортное положение используется поворотный круг, а вертикальная стойка опирается на грунт. Мобильные мачты переводятся из транспортного в рабочее положение и обратно очень быстро: у самоходного агрегата типа ЛЛ-20 с фронтальной мачтой-аутригером за 2 мин, у агрегата ЛЛ-27 с мачтой-аутригером с боковым расположением за 3 мин. Однако переезд из сектора в сектор самоходной лебедки с фронтальной мачтой составлял 15 мин, а с боковым расположением 5 мин, поскольку в первом случае необходимо выполнять маневры при переездах, а во втором только проехать по лесовозному усу. Практика полностью подтвердила работоспособность разработанных конструкций мачт. Мачты устойчиво работали во всех режимах трелевки. Неопрокидывающаяся мачта самоходной лебедки ЛЛ-20 состоит из задней фермы, нижняя часть которой шарнирно укреплена на базовом тракторе ТТ-4 и соединена с двумя гидроцилиндрами подъема и опускания фермы, укрепленными шарнирно на кронштейне, жестко приваренном к раме трактора. В верхней части фермы на осях укреплены блоки тяговонесущего каната, приводимого в действие дифференциальной лебедкой, установленной на раме трактора, и имеется шарнир, соединяющий ферму с наклонной стойкой, в нижней части которой расположены опорная плита и шарнир, соединяющий наклонную стойку с распором, конец которого шарнирно укреплен на бульдозерном отвале трактора, который поднимается и опускается гидроцилиндрами отвала, шарнирно закрепленными на передней части рамы трактора. Кабина трактора имеет ограждение с опорой для укладки мачты в транспортное положение. Перевод мачты из рабочего в транспортное положение осуществляется из кабины трактора путем подъема бульдозерного отвала, а затем опускания гидроцилиндров фермы до тех пор, пока наклонная стойка не опустится на опору ограждения. В таком положении гидроцилиндры фиксируются, и мачта находится в транспортном положении. Для перевода мачты в рабочее положение сначала поднимается ферма гидроцилиндрами, а затем бульдозерный отвал опускает опорную плиту на грунт. Фронтальная неопрокидывающаяся мачта самоходной лебедки ЛС-5, рис. 5.8 по конструкции несколько отличается от мачты самоходной лебедки ЛЛ-20. Прежде всего, задняя и передняя наклонные стойки выполнены в виде ферм. Рабочие блоки тягово-несущего каната расположены на наклонной ферме, а опорная площадка для укладки мачты в транспортное 110

положение расположена на задней части рамы трактора, на одном кронштейне с гидроцилиндрами подъема и опускания задней фермы. В остальном конструкция фронтальной мачты осталась без изменений, такой же, как и самоходная лебедка ЛЛ-20. Боковая неопрокидывающаяся мачта самоходной лебедки ЛЛ-28 в транспортном положении приведена на рис. 5.9. Она состоит из поворотного круга, вертикальной опоры, наклонной стойки с секцией вертикальной стойки с рабочими блоками, шарнирно закрепленной на наклонной стойке, гидроцилиндров подъема наклонной и вертикальной стоек, гидроцилиндра поворота круга при установке мачты в транспортное положение. В качестве базового трактора использован трактор ТД-55 с одноместной кабиной.

Рис. 5.9. Боковая неопрокидывающаяся мачта самоходной лебедки ЛЛ-28:а – рабочее положение; б- транспортное положение. 1– поворотный круг;2 – вертикальная опора;3 – наклонная стойка;4 – секция;5 – блоки;6 – вертикальная стойка; 7 – гидроцилиндры; 8 – гидроцилиндр поворота круга; 9 – базовый трактор

111

В транспортном положении вертикальная и наклонная стойки мачты укладываются вдоль оси трактора за счет разворота их на поворотном круге.

Рис. 5.10. Фронтальная неопрокидывающаяся мачта канатной установки МЛ-43: а– рабочее положение; б– транспортное положение. 1– трактор; 2– отвал бульдозерный; 3 – передняя спаренная наклонная стойка; 4 – задняя рама; 5 – перекладина; б– блок; 7– тягово-несущий канат; 8 – барабан дифференциальной лебедки; 9 – гидроцилиндр Фронтальная неопрокидывающаяся мачта канатной установки, рис. 5.10 закрепляется на базовом тракторе и его бульдозерном отвале, на котором с помощью шарниров располагаются две передние спаренные наклонные стойки, шарнирно скрепленные с задней рамой, а на шарнире, объединяющем передние и наклонные стойки и раму, закреплена перекладина с блоками для тягово-несущего каната, который наматывается на барабаны дифференциальной лебедки. В транспортное положение мачта складывается вдоль оси трактора с помощью гидроцилиндров.

112

Фронтальная неопрокидывающаяся мачта канатной установки МЛ-431 закреплена на базовом тракторе ТТ-4М и в средней части рамы трактора имеет дополнительную опору для укладки ее в транспортное положение. В остальном мачта аналогична канатной установке МЛ-43. Кинематика неопрокидывающихся мачт самоходных лебедок весьма разнообразна, а основные кинематические схемы мачт показаны на рис. 511. Кинематическая схема неопрокидывающейся мачты самоходных лебедок ЛС-2; ЛС-3; ЛС-4; ЛС-5 и ЛЛ-20 показана на рис. 5.11.а. Она включает наклонную и вертикальную стойки, балки, гидроцилиндры и опоры. В транспортном положении мачта располагается вдоль оси трактора. В рабочем положении стойка мачты, опираясь опорной площадкой устанавливается на некотором расстоянии, 4-6 метров от трактора, такое положение стойки полностью обеспечивает устойчивость самоходной лебедки во время работы. При создании самоходной лебедки ЛЛ-27 была спроектирована мачта, которая отличается от предыдущих тем, что в рабочем положении устанавливается не вдоль оси трактора, а перпендикулярно. На рис. 5.11. б показана кинематическая схема мачты самоходной лебедки ЛЛ-27.

Рис. 5.11. Кинематические схемы неопрокидывающихся мачт; а- самоходных лебедок ЛС-2; ЛС-3; ЛС-4; ЛС-5 и ЛЛ-20; б- самоходной лебедки ЛЛ-27; в – самоходной лебедки ЛЛ-27М; г – самоходной лебедки с отклоняющейся стойкой; 1 – наклонная стойка; 2 – вертикальная стойка; 3 – блоки; 4, 5,6- гидроцилиндры; 7,8,9, 10- опоры; 11 – кронштейн; 12 – цапфы; 13 – шарниры; Мачта состоит из шарнирного кронштейна, к которому присоединена при помощи цапф наклонная опора с упорной площадкой. Наклонная опо113

ра снабжена двумя гидроцилиндрами. Кроме того, на наклонной опоре шарнирно установлена стойка с блоками и гидроцилиндром. Шарнирный кронштейн имеет консоль для крепления гидроцилиндра поворота мачты в горизонтальной плоскости. В транспортном положении с помощью гидроцилиндра опорная площадка подгибается, что уменьшает длину наклонной опоры. На рис. 5.11. в показана кинематическая схема мачты самоходной лебедки ЛЛ-27М. Мачта самоходной лебедки ЛЛ-27М, кроме перечисленных выше узлов для ЛЛ-27, имеет палец, который устанавливается после установки мачты и придает системе дополнительную жесткость. На рис. 5.11 г показана схема неопрокидывающейся мачты, в которой имеется дополнительная вертикальная стойка для создания натяжения в канатной системе. Отклонение стойки создается ходом штока гидроцилиндра. Высота мачты влияет на устойчивость самоходного шасси, нагрузки в трансмиссии лебедки, грузоподъемность канатов и производительность. Расчетная схема представлена на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Схема для расчета высоты неопрокидывающейся мачты самоходной лебедки Для определения высоты мачты используется следующая формула: 2 Lq к  L   − b − l n tgα + 2c , B =  G + G1 + (5.3) cos β  4Tmax  где: В - высота головной мачты, м; L - длина хорды канатов, м; ln - длина погрузочной площадки, м; b - высота тыловой мачты, м; (G+G1) – грузоподъемность канатов, кН; qк – распределенная нагрузка от собственного веса тягово-несущего каната, кН/м; β - угол наклона хорды, рад; с – расстояние от пачки деревьев до поверхности склона, 0,5 м; α - угол наклона 114

лесосеки, рад; Тmax - наибольшее натяжение в ветвях тягово-несущего каната, кН. 2 Lq к  x  x  Т max =  G + G1 + 1 −  , (5.4) cos β  L  2 f x  где: х – координата приложения нагрузки, м; fx – стрела провеса каната, м. fx =

(B + l n tgα ) ⋅ (L − x ) + x ⋅ b L

−c,

(5.5)

L 2

Наибольшее значение fx достигает при х= :

B + b + l n tgα −c. (5.6) 2 Часовая производительность канатной установки на трелевке определяется по формуле: f max =

П тр.ч =

3600ϕ1Vпϕ 2 , 2l п 2l ср t1 + t 2 + + vср.п vср

(5.7)

где: ϕ1 - коэффициент использования рабочего времени (0,76…0,85); ϕ2 - коэффициент использования расчетного объема пачки (0,8…0,9); t1 время сбора пачки, с; t2 - время отцепки пачки, с; lп - среднее расстояние подтаскивания пачки к несущему канату, м; vср.п - средняя скорость подтаскивания пачки к несущему канату и оттаскивания захватного приспособления к месту зацепки пачки, м/с; lср - среднее расстояние трелевки, м; vср - средняя скорость движения каретки в обоих направлениях, м/с. Затраты времени на сбор t1 и разгрузку пачки t2 (с) определяются по формулам: t1 = a 0Vпϕ 2 (5.8) t 2 = b0 + c0Vпϕ 2 (5.9) где: a0 =138–246; b0 =126–180; c0 =7,8–22,8. Средняя скорость движения каретки в обоих направлениях vср (м/с) определяется по формуле: vср =

v р. ср + v х. ср 2

,

(5.10)

где: vр. ср - средняя скорость движения каретки с пачкой деревьев, м/с; vх. ср - средняя скорость движения каретки в холостом направлении, м/с. v р. ср =

v р. min + v р. max 2

,

(5.11)

115

где: vр. min - скорость каната рабочего барабана на первом ряде витков, м/с; vр. max - скорость каната рабочего барабана на последнем ряде витков, м/с (1,05…1,12 vр. min). v х. ср =

v х. min + v х. max , 2

(5.12)

где: vх. min - скорость каната холостого барабана на первом ряде витков, м/с; vх.max - скорость каната холостого барабана на последнем ряде витков, м/с (1,05…1,12 vх. min). Средняя скорость подтаскивания пачки к несущему канату и оттаскивания грузозахватов на лесосеку: vср.п =

vср

2

.

(5.13)

После определения всех величин, входящих в формулу, подсчитывается производительность канатной установки на трелевке (м3/ч). Сменная производительность канатной установки (м3/смену) определяется по формуле: П см = (Т см − t п.з )П ч , (5.14) где: Тсм - время смены; tп.з - подготовительно-заключительное время, ч. Однопролетные канатные трелевочные установки с самоходным приводом позволяют разрабатывать лесосеки любой конфигурации. Все известные схемы разработки лесосек однопролетными канатными трелевочными установками могут быть сгруппированы по основным признакам их применения. Целесообразно выделить схемы разработки лесосек, учитывающие формы склона, ширину долин (распадков), типы применяемых установок. В зависимости от конкретных условий возможно различное сочетание технологических схем. Все склоны по форме могут быть разделены на три вида - конусообразные, чашеобразные (котловины), прямые (см. рис. 5.13). На конусообразных склонах лесосека разрабатывается путем последовательного перемещения нижней опоры при постоянном положении верхней опоры. Эта схема является наиболее эффективной, так как среднее расстояние трелевки составляет 1/3 длины установки, кроме того, сокращаются затраты на монтажно-демонтажные работы (отпадает необходимость перемещений верхней опоры), а также возможна укладка древесины в запас. Лесосеки на чашеобразных склонах разрабатывают путем последовательного перемещения на новую пасеку верхней опоры при постоянном положении нижней опоры. Эта схема имеет ряд недостатков: среднее расстояние трелевки составляет 2/3 длины установки, увеличиваются затраты на монтажно-демонтажные работы за счет переноски тыловой, более тру116

доемкой в монтаже опоры, невозможно укладывать стрелеванную древесину в запас.

Рис. 5.13 Технологические схемы разработки лесосек с пересеченным рельефом: а – на конусообразных склонах; б – на чашеобразных склонах; в – на прямых склонах

На прямых склонах лесосеки разрабатывают путем одновременного перемещения верхней и нижней опоры. Среднее расстояние трелевки при этом составляет 1/2 длины установки. Возможна укладка древесины в запас. На практике в пределах одной лесосеки могут встретиться все три формы склонов, поэтому, как правило, разработка таких лесосек производится путем сочетания всех указанных схем. Важным фактором, определяющим выбор технологии для разработки лесосеки, является ширина долин (распадков) между противоположными склонами. Возможностью складирования и отгрузки леса непосредственно у подножия склона определяется и ступенчатость первичного транспорта древесины.

Рис. 5.14. Схемы разработки лесосек в широких (а) и узких (б) распадках: 1 — привод; 2 — тупиковый путь; 3 — челюстной погрузчик; 4 — штабель хлыстов; 5 — тягово-несущий канат; 6—лесовозная дорога; 7—тыловая опора; 8 — головная опора 117

В широких долинах с сухими плотными грунтами возможны складирование и отгрузка древесины непосредственно от установки. При отсутствии таких долин спущенную канатной установкой древесину необходимо отвозить и укладывать на специальную площадку. В долинах шириной не менее 50м может применяется следующая технология разработки (рис. 5.14, а). Лесосеку разбивают на пасеки шириной 25 - 30м. У основания склона прокладывают лесовозную дорогу. На границе между смежными пасеками устраивают тупиковые заезды, на которых размещаются лесовозные автомобили при погрузке леса. В промежутках между тупиковыми заездами находятся подштабельные места для укладки хлыстов. За тупиковыми заездами расчищается полосу для маневровых площадок. Древесину трелюют и укладывают между тупиковыми заездами. Комли выравнивают трактором. Для этого ослабляют и оттаскивают в сторону тягово-несущий канат, не отцепляя его от трактора. Трактор заходит с комлевой стороны штабеля и нажимает щитом на торцы комлей. Достоинство данной технологической схемы заключается в том, что стрелеванную древесину можно укладывать в запас и отгружать без, дополнительной транспортировки на специальные погрузочные площадки. При ширине долин между противоположными склонами менее 50м, может применяться следующая технологическая схема (рис. 5.14. б). Лесосеку разбивают на пасеки шириной 30 м. У основания склона прокладывают магистральный волок. Иногда для этого может быть использована лесовозная дорога. Спущенную установкой древесину отцепляют у магистрального волока. После спуска определенного объема приступают к подтрелевке на погрузочную площадку, которую можно производить дополнительным трелевочным трактором. Такую технологию желательно применять, когда рядом работают две-три канатные установки. Повторная подтрелевка хлыстов является большим недостатком этой схемы, но в рассматриваемых условия она неизбежна. Тыловая опора располагается в конце пролета канатной установки и служит как для закрепления конца несущего каната, так и для закрепления поворотного блока тягово-несущего каната. Тыловые опоры для закрепления несущего каната показаны на рис. 5.15. Конец несущего каната может быть вставлен в специальный замок, рис. 5.15.а, а замок крепится с помощью четырех растяжек к пням. Более простой способ крепления несущего каната показан на рис. 5.15.б, где несущий канат огибает дерево, и его конец с помощью канатных зажимов крепится к тому же несущему канату.

118

Рис. 5.15. Тыловые опоры несущего канта: а- с замком и растяжками, закрепленными за пни; б - с петлей, закрепленной за дерево; в -с перекладиной в траншее; г - с перекладиной у пней; д - с петлями у деревьев; е - с огибанием деревьев петлей. 1 – несущий канат; 2 - замок; 3 - растяжки; 4 - пни; 5 - канатные зажимы; 6 - перекладина; 7 - петля несущего каната; 8 – дерево

Если корневая система деревьев ненадежная или они на вершине склона отсутствуют, то тыловая опора в виде отрезка ствола дерева закладывается в специально вырытую траншею, рис. 5.15 в, а к отрезку ствола дерева крепятся растяжки от замка несущего каната. После монтажа траншея закапывается и уплотняется. Тыловая опора может быть сконструирована и на перекладине, которая опирается на пни, рис. 5.15.г. В этом случае несущий канат петлей одевается на перекладину, а перекладина крепится еще растяжкой за пень.

119

Чтобы увеличить устойчивость тыловой опоры, конец несущего каната может быть обернут вокруг нескольких деревьев, рис. 5.15.д, или огибать их, рис. 5.15.е, но в любом случае его конец крепится к тому же несущему канату на зажимах. Тыловые опоры тягово-несущего каната состоят из поворотного блока и растяжек, которые крепятся либо к пням, либо к деревьям. Но есть и оригинальные тыловые опоры тягово-несущего каната, например, с плавающей трехроликовой кареткой. Такая конструкция тыловой опоры позволяет при холостом ходе трелевочной каретки надвигать ее на поваленные деревья, а после их чокеровки собирать пачку деревьев и отодвигать ее от поваленных деревьев, что значительно облегчает условия спуска пачки со склона. В связи со значительной частотой перебазировок как головной (самоходной) так и тыловой опор при разработке лесосек в условиях холмистогрядовых рельефов представляется целесообразным сделать тыловую опору также самоходной. Для этого следует установить его на базу малого лесного трактора (самоходной тележки) типа МУЛ. 5.2.1 Уплотнение почво-грунта лесосеки при работе канатной трелевочной установки Благодаря минимальному «коэффициенту тары» можно полагать, что 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. Предыдущими исследованиями установлено, что транспортируемая пачка древесины оказывает на почву существенное влияние, в зависимости от вида трелюемой древесины это влияние может быть как положительным, так и отрицательным – деревья трактором трелюемые за комли рыхлят землю вершинами, а при трелевке хлыстов за вершины – происходит сильное уплотнение почвы волочащимися комлями. При работе неподвесных КТУ, в подавляющем 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 – 120

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. Общее резюме которое можно сделать из выше представленной информации следующее: чем меньше пятно контакта с поверхностью движения – тем меньше энергозатраты, но тем больше уплотнение почвы, а следовательно экологический ущерб наносимы трелевкой лесной среде. Современные самоходные КТУ имеют телескопическую мачту, которая способна изменять величину вылета, следовательно, можно утверждать, что нахождение оптимального пятна контакта пачки с почвой, при котором не происходит ее переуплотнения, позволит оптимизировать работу данного вида первичного транспорта леса по критериям экологичности и энергоемкости. Поддержание примерно постоянного угла наклона пачки возможно за счет постепенного уменьшения высоты мачты, по мере приближения к ней пачки. Средний угол наклона пачки определяется по выражению:

α ср =

π hβ 2 l

,

(5.15)

где: β – параметр (β=1, 2, 3); l – длина пачки; h – высота подъема пачки при трелевке. С учетом угла наклона поверхности движения, угол подъема пачки относительно горизонта определится как:

α ср =

π hβ 2 l

±γ ,

(5.16)

где: γ – угол наклона поверхности движения. В рассматриваемом случае высота подъема пачки может быть определена из выражения: 2

2H H H  sin γ +   , h = l 1+ (5.17) L L L где: L – расстояние до мачты; Н – высота мачты. Если лесосека имеет спокойный рельеф, т.е. можно считать, что γ=0, H тогда можно записать, что h = l . L С учетом выражение примет вид:

πβ Н

2

2H H α ср = 1+ sin γ +   ± γ . 2 L L L

(5.18)

Максимальная глубина погружения комлевой части пачки составит: 121

∆=

πβh 2l

lк =

πβ Н 2 L

2

lк

2H H 1+ sin γ +   . L L

(5.19)

Давление комлевой части пачки на почву составит: n

0,7G 1  P= cos α ср = A ∆  , lk 2rк ∆ 3  2   πβ Н 2H H   cos α ср = cos 1+ sin γ +   ± γ  ,   2 L L L  

(5.20)

где: rк – условный радиус комлей получаемый по таксационному описанию. С учетом (5) формула (6) примет вид:

0,7G ⋅ cos α ср ⋅ πβh 2rк ∆ ⋅ 2 L∆

2

2H H 1  1+ sin γ +   = A ∆  L L 3 

n

(5.21)

Связь между плотностью почвы и ее деформацией имеет известный вид:

∆ ρ max − ρ 0 = , В ρ0

(5.22)

где: В – глубина распространения деформации; ρ0 – плотность естественного сложения лесной почвы до приложения нагрузки, ρmax – максимальная плотность почвы под комлевой частью пачки. Значение В можно оценить формулой: 2rк ∆ ⋅ l к В= , (5.23) 2rк ∆ + 2l к или 2rк ∆ ⋅ 2 L∆ 1 × В= 2 (5.24) 4 L∆ 2H H 2 2 ∆ + r к sin γ +   πβh 1 + 2 2H H  L L πβh 1 + sin γ +   L L Система уравнений (5.21), (5.22) и (5.24) по заданным значениям веса пачки G, γ, rк, ρ0, ρmax позволяет найти предельное расстояние трелевки. Также практический интерес представляет решение обратной задачи, позволяющее минимизировать отрицательное уплотняющее воздействие волочащейся пачки на почву лесосеки: по конечному углу подъема пачки к 122

горизонту может быть определен предельно допустимый вес пачки, а при наличии телескопической мачты (с регулируемой высотой подвеса блока) требуемый постоянный угол подъема пачки по критерию уплотнения почвы. При γ=0 и

Н << 1 получим: L

ρ~тах =

ρ тах − ρ 0 πβН = , ρ0 2 L 2rк ∆

(5.25)

поэтому:

π 2 β 2Н 2 ∆= 8 rк L2 ρ~тах ,

(5.26)

В свою очередь из (5.21) следует 2

 3 п 0,7GπβH  2 n +3 ∆=  , (5.27) А ⋅ 2 2 r L к   Приравняв (5.26) и (5.27), находим оптимальную величину расстояния трелевки по критерию воздействия на почву:

π 2 β 2 Н 2 Lпр =  ~  8 rк ρ пр

 А ⋅ 2 2rк     3п 0,7GπβН   

2 n +3 4 n +8

(5.28)

Таким образом, получены основные зависимости, позволяющие определять оптимальную величину расстояния трелевки по критерию воздействия на почву, а также оптимальный угол подъема пачки к горизонту при трелевке неподвесными КТУ. 5.3. Минитракторы на трелевке леса Трелевка (от английского глагола to trail – тащить, волочить) – перемещение древесины от места валки до места погрузки на лесовозный транспорт (верхний склад или погрузочный пункт). Трелевка является самой трудо- и энергоемкой операцией лесосечных работ. А также оказывает наиболее существенное влияние на почвенно-грунтовые условия будущей вырубки. Собираемая на лесосеке древесина вывозится на нижний склад лесозаготовительного предприятия или потребителя без перегрузки на верхнем складе или погрузочном пункте, такой технологический процесс называется прямой вывозкой древесины.

123

В зависимости от принятого технологического процесса лесосечных работ древесина может трелеваться в виде деревьев, хлыстов, полухлыстов или сортиментов. По виду применяемого оборудования различают следующие виды трелевки: гужевую, тракторную, канатную и воздушную (вертолетную или аэростатную). В зависимости от способа закрепления лесоматериалов на трелевочном оборудовании различают трелевку в непогруженном положении, полупогруженном положении, полуподвешенном положении, полностью погруженном положении и полностью подвешенном положении. Наиболее распространенной в настоящее время является тракторная трелевка пачек хлыстов или деревьев в полупогруженном положении, осуществляемая специальными трелевочными тракторами с канатночокерным или бесчокерным технологическим оборудованием. Трелевочные тракторы с пачковыми или клещевыми захватами (так называемые скиддеры) осуществляют трелевку пачек деревьев или хлыстов в полуподвешенном положении. Тракторная трелевка сортиментов осуществляется сортиментовозами (форвардерами) в полностью погруженном положении. В скандинавских странах на малых по объёму рубках нашли применение лесохозяйственные агрегаты, созданные на базе мотовездеходов. Фирмами Vimek и Skogma создан агрегат Minimaster 4WD, состоящий их мотовездехода с двигателем 480см3 и 4-х колёсного прицепа грузоподъёмностью 4000кг (рис. 5.16 и 5.17). На мотовездеходе Minimaster 4WD установлен 4-х тактный бензиновый двигатель 16л.с. и вариаторная трансмиссия. Максимальная скорость движения З0км/ч. Тяговое усилие 500кг. Длина, высота и ширина вездехода соответственно 213x115x119см. Прицеп имеет раму однобалочной конструкции, на которой отдельными модулями установлены: 4-х колёсная балансирная тележка, коники, передняя ограждающая решётка, погрузочное устройство в виде крана или гидроманипулятора, прицепное устройство. По желанию устанавливается роликовый привод колёс. Прицеп имеет длину и ширину - 355х157см, дорожный просвет - 550мм. Гидравлическая система прицепа приводится от вала отбора мощности мотовездехода. Мощность насоса составляет 15л/мин. Рабочее давление 140 бар. С помощью гидросистемы осуществляется работа привода тележки и погрузочной установки. При отсутствии гидросистемы привод крана осуществляется механически. На колёса прицепа и вездехода устанавливаются шины 175x14 высокой проходимости. Фирма Vimek на прицепе и заднем мосте вездехода применила сдвоенные колёса. 124

Погрузочный кран представляет собой стойку коробчатого сечения с двухметровой консолью, поворачивающейся вручную. На конце консоли установлен блочёк для троса, который наматывается на лебёдку. С помощью ручного двухрычажного захвата сортимент поднимается и укладывается в грузовой отсек. Управление лебёдкой дистанционное с применением тросика. Мини гидроманипулятор имеет захват сечением 0,15м2. Радиус его действия составляет 2,3 м. Управление манипулятором клапанное. Оно установлено за спинкой кресла водителя. Для устойчивости прицепа во время погрузочно-разгрузочных работ манипулятор оснащен гидравлическими опорами. Для возможности работы в тёмное время суток рабочая зона освещается фарой, установленной на защитной дуге вездехода. Вездеход при адаптации к работе с прицепом в лесных условиях претерпел незначительные изменения. Над спинкой кресла водителя установлена защитная дуга, впереди вездехода навешан «кенгурятник», позади экран с защитной сеткой. В настоящее время имеется большой выбор мотовездеходов (квадроциклов) для работы в лесных условиях. По данным мировой рынок представлен следующими производителями этой техники: Polaris (37%), Honda (27%), Yamaha (22%), Kawasaki (5%), Suzuki (4%), Artic Cat (4%), и Bombardier (1%). До последнего времени практически все вездеходы выпускались с колёсной формулой 4x4. На ряде фирм, в частности Polaris, начат выпуск машин с ходовой системой 6x6. Отмечается трансформирование вездеходов в мини-тракторы. Устанавливается капот над двигателем, грузовой кузов, однорядное сидение для водителя и пассажира, дуги ограждения и т.д. Смещение влево рулевой колонки. На вездеходах, представляющих интерес для лесного хозяйства, установлены бензиновые 4-х тактные одно- двухцилиндровые двигатели с жидкостным охлаждением емкостью 480-680см3. Вариаторная трансмиссия позволяет плавно изменять передаточное число в зависимости от частоты оборотов двигателя и нагрузки, что обеспечивает высокую приспособляемость машины к выполнению работ в сложных условиях леса без нанесения значительного вреда напочвенному покрову. Тяговое усилие развиваемое вездеходами составляет 500 -700кг. Мотовездеходы имеют следующие габариты: длина - 2,05-2,09м, ширина - 1,15-1,17м, высота-1,19-1,21м. Их масса составляет 500-700кг. Дорожный просвет - 275-285мм. Внутренний радиус поворота - 1,7-2,0м.

125

Рис. 5.16 Лесохозяйственный агрегат Vimek Minimaster101 на вывозке древесины

Рис. 5.17 Лесохозяйственный агрегат Skogma Minimaster на вывозке древесины В Скандинавских странах при проведении первых приёмов рубок ухода, удалении семенников в лесах естественного возобновления, санитарных рубках и разработке буреломов наряду с традиционным средством 126

трелёвки применяют малые универсальные машины. Модели данной машины представлены на рис. 5.18 и 5.19. Управление её движением осуществляется идущим впереди машины рабочим. Среднегодовая продолжительность использования гусеничной минимашины составляет 150 дней. Около 60% предприятий, эксплуатирующие эти машины, применяют метод заготовки леса, заключающийся в разработке части какого-либо участка с подтаскиванием в этот же рабочий день сортиментов к волоку и укладкой их в штабель. В 25 случаях из 100 подталкивание ведут лишь по окончании разработки всего участка (например, в буреломных насаждениях). В обоих случаях валка и первичная обработка отделены от операции подтаскивания. Порядок проведения приёмов рубок с заготовкой леса комбинированным способом представлены на рис. 5.20. Достоинство комбинированного способа состоит в смене вида работ, производимых рабочим, использования роликовой опоры при разделки деревьев у пня и выгрузки сортиментов у волока и постоянная завершённость технологических операций, выполняемых мини-машиной с поваленными деревьями. В табл. 5.1 приведены средний объём подвозимых к волоку пачек и производительность на подталкивании при заготовке сортиментов различными способами с использованием мини-машин. Сопоставление данных показывает, что комбинированный способ по производительности и среднему объёму транспортируемой к волоку древесины выгодно отличается от сравниваемых вариантов. В табл. 5.2 приведены некоторые показатели для различных категорий работающих, заготовляющих тонкомерный лес способом, предполагающим разработку участка по частям с последующем подтаскиванием сортиментов в этот же день. Данные топливной экономичности и производительности показывают, что с наибольшей эффективностью трудятся лесовладельцы. С целью повышения эффективности использования минимашины на многих предприятиях к каждой машине прикрепляют 2 или 3 рабочих, систематически подменяющих друг друга на подтаскивании сортиментов. Однако, практика показывает, что система в составе мини-машины и одного рабочего более производительна (табл. 5.3). В табл. 5.4 приведены показатели работы минимашины при заготовке леса комбинированным и раздельным (валка и первичная обработки не совмещены по времени) способами. Значения распределения затрат времени, расхода топлива и производительности указывают, что на заготовку древесины минимашиной целесообразней производить комбинированным способом. 127

Четырёхтактные двигатели минимашины отличаются небольшим расходом топлива. Существенное влияние на этот показатель оказывает расстояние подтаскивания. Так, при расстоянии 100м он составляет 0,4 л/м3, а при 500м -0,8 л/м3, т.е. расход составляет 0,1 л/м3 на каждые 100м. В перерасчёте на 1 маш.-час средний расход топлива составляет 0,85л (максимальный - 1,0-1,5л), на заготовленный кубометр древесины - 0,6 литра. В качестве дополнительного оборудования к мини машине придаётся прицеп (колёсный или на полозьях), лебёдка для подтаскивания деревьев, цепи для прикрепления груза, опорные ролики, монтируемые на стойке прицепа. Минимашина «Железный конь» JH 125 PRO фирмы Jonsered имеет эксплутационную массу 300 кг, грузоподъёмность 500 кг или 1м3 древесины длинной 3-4метра. На нём установлен четырёхтактный одноцилиндровый бензиновый двигатель с воздушным охлаждением Хонда GX 140 мощностью 3,7 кВт (5л.с.) при 3600об/мин. Машина имеет следующие габариты: длина с рычагом управления 2900мм (без рычага - 1600мм), ширина - 1080мм и высота -1640мм. Максимальная скорость перемещения 5,3км/ч. Гусеницы машины выполнены из сверхпрочных резиновых лент 380x2900 мм. На минитракторе ОХЕН («Вол») установлен двухцилиндровый двигатель Vanguard мощностью 16 л.с. с крутящим моментом 33 Нм при 2400 об/мин. Его эксплутационная масса 500 кг. Рейсовая нагрузка при работе с прицепом составляет 1,5м3 древесины. Рабочая скорость движения 4 км/ч. Длина машины без рычага 170см, ширина - 115см. Ширина гусеничной ленты 40см. Аналогичные технические данные имею и другие мини - машины для трелёвки древесины. К недостаткам зарубежных трелёвочных минимашин (в частности, моделей «Железный конь», «Голиаф» и «Вол») относятся не совсем удачное исполнение ручки штанги и рычага управления, невысокая скорость движения по ледяному и снежному покрову, повышенная нагрузка на переднюю часть при движении без груза, неудобное расположение точек смазки и большая масса прицепа. Учитывая перечисленные недостатки в России АО «Рыбинские моторы» совместно с НИИ транспортного машиностроения в конце прошлого века была создана отечественная минимашина. Компоновочное решение этой машина представлено на рис. 5.21. Отечественная машина выполнена с возможностью обеспечения управления ею как с земли, так и с удобного сидения (рис. 5.22).

128

Минимашина АО «Рыбинские моторы» имеют следующие технические характеристики: Эксплутационная масса машины, т ..................................................... 0,43 Масса полезного груза, т: на раме машине ........................................................................................ 0,3 на полуприцепе ......................................................................................... 0,6 Тяговое усилие на снегу плотностью 0,35 г/см3, кН ............................ 3,5 Мощность двигателя, кВт ........................................................................ 12 Отбор мощности, кВт .............................................................................. 3,5 Скорость движения (вперёд-назад), км/ч: при управлении с земли ....................................................................1,0-5,2 при управлении с сидения ..............................................................1,5-12,3 Габариты машины, мм: длина с водилом вперёд/наверх.................................................. 3385/1680 ширина по кромкам гусениц................................................................ 1210 Дорожный просвет, мм........................................................................... 100 Среднее давления на грунт с грузом на раме, кгс/см2 ......................... 1,0 Предельный угол подъёма, град ........................................................... 25,0 Время работы двигателя на одной заправке, час................................. 130 Тяговое усилие лебёдки, кН ................................................................... 5,0 Таблица 5.1 Показатели работы гусеничной минимашины при заготовке древесины различными способами Среднее рас- Средний объём Производительность стояние подпачки при на подтаскивании Способ заготовок таскивания, м подтаскива- сортиментов к вонии, м3 локу, м3/ч Комбинирован58 0,79 2,3 ный 98 0,67 1,2 Разработка участка леса по частям с последующим подтаскиванием к волоку Разработка всего 123 0,51 1,2 участка с последующим подтаскиванием к волоку

129

130

Расход бензина,л/м3

Производитель-ность,м3/ч

13 13 10 11 11 -

Среднее расстояние подтаскивания,м

0 80 20 30 70 0 100 0 0

Средний объём пачки,м3

Средний диаметрсм

Сосна Ель 1 Листва Сосна Ель 2 Листва Сосна Ель 3 Листва

Доля пород, %

Породы

*Категор работающих

Для универсализации созданной минимашины предусматривается выпуск шлейфа машин и орудий. В его состав включается полуприцепы для перевозки самой машины, сортиментов длиной до 6,0 м, различных грузов и модулей с оборудованием, в том числе манипуляторов, миниэкскаватора и т.п. Для агрегатирования минимашин с лесохозяйственными машинами и орудиями создана навесная система и гидропривод с выносным гидромотором для привода рабочих органов. Таблица 5.2 Показатели работы для различных категорий работающих на заготовке тонкомерного леса комбинированным способом

0,76

92

0,43

0,50

0,58

95

0,8

0,44

0,81

61

0,22

0,63

Рис. 5.18 Малая универсальная машина минитрактор OXEH

П,м3/ч

Qб,л/м3

tп-в

Lср,м

Vср,м3

Dср,см

1 1 13,5 9 15 13 9 11 12,5

tпод

60 30 10 10 80 10 30 70 0

tв-о

Сосна Ель Листва Сосна Ель Листва Сосна Ель Листва

Доля пород,%

Порода

К первой категории относятся рабочие, привлекаемые к лесозаготовкам со своей техникой, вторая категория включает в себя рабочих, не имеющих собственной техники, а в третью категорию включены лесовладельцы, выполняющие работы собственными силами. Таблица 5.3 Показатели работы минимашины при изменении количества работающих на ней Распределение затрат времени

0,72

67

63

18

19

0,31

0,63

0,87

97

59

27

14

0,49

0,40

0,59

115

62

24

14

0,34

0,37

131

Здесь: K P – количество рабочих; Dср – средний диаметр деревьев; Vср – средний объём пачки; Lср – среднее расстояние подтаскивания; t в −о о – время валки и первичной обработки; t под – время подтаскивания; tп-в – время погрузки и выгрузки; Qб – расход бензина; П – производительность. Таблица 5.4 Показатели работы минимашины при заготовке леса комбинированным (1) и раздельным (2) способами* Доля Распреде- Qб , П , Lсз , Dср , Vср Способ Порода пород, ление затрат 3 3 % времени м л/м3 м /ч См м 1 2

Сосна Ель Листва Сосна Ель Листва

80 20 0 20 70 10

11 12,5 0,79 58 9 12 0,67 98 13

t в −о

t под

t п −в

72

14

14

0,30 0,61

63

21

16

0,37 0,47

Рис. 5.19 Малая универсальная машина Combi Trac

132

Рис. 5.20 Порядок проведения рубок с помощью малой универсальной машины: 1- рабочий, перемещаясь вдоль границы участка, заводит мини-машину в насаждения на глубину 20-40м и разворачивает её; 2- мини-машину ставят у намеченного дерева, рабочий с помощью бензопилы валит его и производит первичную обработку, используя в качестве опоры ролик стойки коника прицепа; 3 - мини-машину перемещают к следующему дереву и операция по п.2 повторяется; 4 - мини-машина подвозит пачку сортиментов к трелёвочному волоку, пригодному для движения форвардеру, сортименты с помощью ролика стойки выгружаются и укладываются в штабель

Рис. 5.21 Компоновка малой универсальной машины: 1 -рама; 2 - двигатель; 3 - клиноремённый вариатор; 4 - коробка передач; 5 -водило; 6 - фара искатель; 7 - лебёдка; 8 - ограждение; 9 - откидное сидение; 10 - коник; 11 упоры; 12 - труба поперечная; 13 - ходовая часть; 14-воздухоочиститель; 133

a

a

б

Рис. 5.22 Схема управления малой универсальной лесной машины: а - с земли, б - с сидение на раме 5.4 Сохранение почвенного плодородия при использовании колесных тракторов Известно, что колесные тракторы имеют основное преимущество перед гусеничными в том, что обладают значительно большими эксплуатационными скоростями. Однако, как показали исследования [136] при их работе возникают существенные динамические нагрузки на почво-грунты лесосек, которые необходимо учитывать при разработке организационнотехнологических мероприятий по уменьшению экологического ущерба от лесосечных работ. Рассмотрим динамическую систему воздействия колесного трактора на почву в рамках математической модели колебательного движения c тремя степенями свободы: вертикальными перемещениями z, продольноугловыми φ и поперечно-угловыми ψ перемещениями кузова (рис. 5.23). Суммарная сила тяжести трактора G и пачки Q приложена к центру тяжести системы и направлена вдоль оси z, воздействуя через шины на почву. Трактор на первом этапе исследований будем рассматривать с симметричной подвеской, причем все жесткости и вязкости имеют линейные характеристики с коэффициентами жесткости тi и коэффициентами сопротивления шин µi, i=1, 2, …, 2п=6.

134

Рис. 5.23. Схема динамической системы При наезде на микронеровность профиля дороги колеса трактора переместятся на величины уi, а центр тяжести – на величину z. Перемещения уi = f (t − τ ) являются случайными функциями воздействия от профиля дороги к кузову трактора, причем запаздывания τi определяются как:

τi =

l1 − l i

υ

,

(5.29)

где: l1 – расстояние от центра тяжести трактора до оси переднего колеса; li – то же расстояние до оси i-го колеса; υ – скорость движения трактора. При рассмотрении задачи уплотнения почвы под действием динамических и статических сил на первый план выходят проблемы определения частотных характеристик колебательного процесса, а именно скорости колебаний z& (t ) , поскольку с квадратом этой величины связаны как кинетическая энергия динамического воздействия, так и возникающие напряжения динамического удара движителя по почве. Система дифференциальных уравнений, описывающая линейные вертикальные и продольно-угловые колебания подрессоренного трактора сводится посредством преобразований Лапласа к решению системы линейных алгебраических уравнений относительно комплексной переменной s = σ + iω , где ω – собственная частота динамической системы. Таким образом Лапласово изображение L скорости вертикальных колебаний z& (t ) дает в комплексных переменных величину:

z&(s ) = L[z&(t )],

(5.30)

135

которая связана с изображением величины вертикальных колебаний следующим соотношением: z&(s ) = z (s ) ⋅ s . (5.31) Изображение скорости линейных вертикальных колебаний представляет собой произведение передаточной функции скорости W(s) на изображение F(s) функции воздействия f(t). Для симметричной подрессоренной системы передаточная функция равна: 2n

∑ (µ s + mi ) c i =1 i W z (s ) = m p s 2 + a1 s + a 2 , где: c =

2n

∑e τ

− is

i =1

1 а = пачки; 1 mp

(5.32)

; тр – подрессоренная суммарная масса трактора и части 2n

1 µ = ∑ i mp i =1

6

1 µ а = ∑ i ; 1 mp i =1

2n

1 m = ∑ i mp i =1

6

∑m

i

i =1

.

Принимаем синусоидальное внешнее воздействие в виде: f (t ) = H sin ω1t , (5.33) где: Н – максимальная амплитуда отклонения профиля дороги от условной горизонтальной плоскости, проведенной через самую низкую точку профиля; ω1 – частота внешнего воздействия (вынужденных колебаний) профиля дороги. Тогда изображения этого воздействия определяется как:

F (s ) = H

ω1 . s + ω12 2

(5.34)

В конечном итоге с учетом выражений (5.32), (5.33) и (5.34) получим соотношение для определения z& (s ) : 2n

(µi s + mi ) cH ω1 ∑ i =1 z& (s ) = 2 2 m p s + ω1 s 2 + a1s + a2 .

(5.35)

Для перехода от передаточной функции к частотной характеристике достаточно принять s = iω . Вещественная часть комплексного выражения (5.35) будет являться действительной амплитудно-частотной характеристикой скорости вертикальных колебаний, которую обозначим как Az& (iω ) :

Hω1 Az& (iω ) = mp 136

K ω2 + Cω2 M ω2 + N ω2 ,

(5.36)

где: Кω, Сω, Мω и Nω – коэффициенты, определяемые из следующих соотношений: 2n

[

]

[

]

К ω = ∑ ωmi sin (τ i ω ) − µ i ω 2 cos(τ i ω ) ; i =1

2n

Cω = ∑ ωmi cos(τ i ω ) − µ i ω 2 sin (τ i ω ) ; i =1

( = (ω

)( )a ω.

)

(5.37)

M ω = ω12 − ω 2 a 2 − ω 2 ; Nω

2 1

−ω2

1

Рис. 5.24. Зависимость относительной амплитуды скорости вертикальных колебаний от ω - относительной частоты (mi=100кГ/см; µi=3000 кГс/м): 1 – υ=1 м/с; 2 – υ=2 м/с; 3 – υ=4 м/с На рис. 5.24 представлены зависимости относительной амплитуды

Аz& = Az&

ω

H от относительной частоты ω1 при различной скорости движения трактора υ и значениях параметров осей l1=1,5 м; l2=0,5 м; l3=4,5 м. Как видно из рис. 5.24 с ростом скорости движения в резонансной области динамические характеристики колебательных процессов резко снижаются (более чем в два раза). Безразмерная величина Аz& в статистической динамике сельскохозяйственных машин получила название коэффициента демпфирования, поскольку оптимальный подбор собственных колебаний системы по отношению к вынужденным позволяет в 5…7 раз снизить амплитуду скорости, т.е. снизить силовое динамическое воздействие на почву. В этом смысле величина Аz& несет нагрузку и коэффициента динамического усиления скорости амплитудных колебаний системы.

137

На рис. 5.25 приведены зависимости относительной амплитуды от жесткости рессор (а) и сопротивления амортизаторов (б) в дорезонансной (1) и зарезонансной (2) областях. Как следует из результатов расчетов (рис. 5.25 а) при постоянном сопротивлении амортизаторов т=150…400кГ/см относительная амплитуда Аz& сохраняет практически постоянное значение 0,85…0,9 в дорезонансной области, тогда как в зарезонансной она снижается в 3…4 раза до значений 0,2…0,4. при постоянной жесткости рессор т=100 кГ/см влияние сопротивления амортизаторов свидетельствует о том, что в дорезонансной области с достижением µ величин более 3000 кГс/см относительная ампитуда Аz& превышает значение 1 и далее возрастает по логарифмическому закону. В зарезонансной области также наблюдается логарифмическое изменение величины Аz& , но в меньшем диапазоне значений 0,5…1. Данный вывод совпадает с выводом о том, что амортизаторы оказывают наибольшее влияние на амплитудные значения скоростей чем жесткость рессор, причем чем больше сопротивление амортизаторов, тем выше наблюдается амплитудно-частотная характеристика как в дорезонансной так и зарезонансной областях. В пределе при ω → ∞ амплитудная частотная характеристика стремится к постоянному значению, Сµ равному тр . Динамические напряжения σд на границе раздела «грунтозацеп почвогрунт» по сравнению со статическими нагрузками σс определим через соотношение соответствующих акустических жесткостей с учетом коэффициента динамического усиления:

σд =

2

(1 + A ) σ 2

c, (5.38) λ1 λ2 где: λ1 – акустическая жесткость материала грунтозацепа, равная 1,2·1200 т/м2·с; λ2 – акустическая жесткость грунта, равная 0,8·800 т/м2·с, т.е. коэф-

1+

z&

фициент акустического преломления: k λ =

138

2 1+

λ1 =0,615. λ2

Рис. 5.25. Зависимость амплитуды скорости от жесткости рессор и сопротивления амортизаторов: 1, 2 – расчетные кривые; 3 – полиноминальная аппроксимация; 4 – логарифмическая аппроксимация Статическое давление σс из уравнения предельного равновесия определим как: (G + Q ) f1 σс = , (5.39) FΣ где: f1 – коэффициент сопротивления качению, равный 0,1…0,4; FΣ – суммарная площадь грунтозацепов, равная 0,24 м2 при шести нагруженных грунтозацепах. При суммарной силе тяжести в 190 кН расчетное давление σс составляет 79 кПа.

139

Рис. 5.26 Схема нагружения вязкопластичного почвогрунта: а)диаграммы динамической (1) и статической (2) сжимаемости и разгрузки (3, 4); б) элемент среды с пружинами динамического (1) и статического сжатия и демпфером (3) Переходя к рассмотрению процессов уплотнения вязкопластического почвогрунта под действием динамических нагрузок отметим, что деформации ε будут протекать не мгновенно, а в течение короткого, но конечного периода времени. Перестройка структуры среды, именуемая в механике грунтов переупаковкой, представляет собой сложный внутренний и межкристаллический процесс переукладки зерен, а при построении модели динамической сжимаемости принимается, что существуют две диаграммы сжатия – динамическая (при которой скорость деформации ε& → ∞ ) и статическая (при которой ε& → 0 ). Динамической диаграмме соответствует сжатие пружины 1, а статической диаграмме – совокупное сжатие обеих пружин в рамках модели Фойгта. Разгрузка среды происходит по другим законам, причем после ударного сжатия за фронтом волны напряжения может происходить как непрерывный рост, так и убывание напряжений. В первом случае деформация, а значит и уплотнение почвы, будет возрастать вследствие дополнительного сжатия среды и переупаковки зерен грунта. Во втором случае одновременно происходит как снижение деформации, за счет разгрузки, так и ее рост в ходе переупаковки. Деформация ε1 соответствует динамической сжимаемости, а ε1 – статической, т.е. деформация элемента среды определяется как сумма ε = ε 1 + ε 2 . Относительное уплот-

ρ нение почвы ρ = ρ , где ρ – начальная плотность, связано с деформаци0

ей ε следующим соотношением: ρ = ε +1.

140

(5.40)

Таким образом, в силу линейного характера связи относительной плотности и деформаций будем считать, что величина уплотнения ρ = ρ д + ρ с , т.е. представляет собой сумму величин динамического и статического уплотнений. При ударном сжатии деформация ε почвогрунта определяется только кривой динамического сжатия, так как деформация ε2 не возникает. Отмеченные особенности динамической сжимаемости почвогрунтов в общей постановке представляют значительные математические трудности, в связи с чем на первом этапе исследований упростим модель исследуемого явления. Принимая в первом приближении линейный характер зависимостей нагружения: σ д = Едε , σ с = Ес ε , (5.41) где: Ед и Ес – соответственно динамический и статический модули деформации (первый по отношению ко второму возрастает в 2…7 раз, что устанавливается экспериментально), не учитывая на данном этапе исследований влияние эффекта разгрузки, определим величину относительного динамического уплотнения почвогрунта ρ д как:

ρд =

σд

+ 1. (5.42) Ед На рис. 5.27. приведены данные зависимости ρ д (ω ) при различных скоростях движения трактора, которые указывают на существенное изменение характера уплотнения почвы по мере приближения динамической системы к состоянию резонанса. До и после этого состояния уплотнение почвы за счет одномоментной ударной нагрузки не выходит за границы значений 1,1…1,2. Этот результат объясняется тем, что несмотря на высокую амплитуду динамических напряжений по сравнению со статическими напряжениями более крутой наклон первой диаграммы обуславливает развитие меньших значений деформации. В то же время, более низкие статические напряжения, следуя второй диаграмме обеспечат развитие больших по величине деформаций.

141

Рис. 5.27 Зависимость динамического уплотнения почвы от относительной частоты колебаний: 1 – υ=1 м/с; 2 – υ=2 м/с; 3 – υ=3 м/с Таким образом будем считать, что практически мгновенно (в течении нескольких милисекунд) грунт уплотняется под действием ударной нагрузки, достигая экстремального уплотнения в зоне резонанса, после чего за фронтом динамического сжатия (в течение более длительного периода, достигающего 100…300 милисекунд) происходит дальнейшее уплотнение грунта в режиме статической нагрузки. Учитывая результаты исследований статического режима уплотнения почвогрунта и при этом характера его уплотнения с ростом количества числа (циклов) проходов трелевочной системы (N), определим соотношение для оценки суммарной величины относительного уплотнения грунта в виде: 2,15bqv 1 − ν 2 (1 + lg N ) , ρ = ρд + (5.43) Ec H c где: b=0,08 м – ширина грунтозацепа; qv=160 кПа – максимальное давление трактора при полном погружении грунтозацепа на глубину 0,13 м; Нс=0,3…0,4 м – величина зоны распространения деформаций; ν - коэффициент Пуассона. На рис. 5.28 представлены результаты расчетов по выявлению характера уплотнения почвы с ростом цикличности в до- и зарезонансной областях. Как видно, основной задачей управления динамикой процессов транспортировки леса с точки зрения воздействия на почвогрунт является такой подбор характеристик – скорости движения, жесткости рессор и сопротивления амортизаторов, которые с учетом профиля волока позволяют избежать достижения резонансных состояний динамической системы, характер развития процесса деформации почвы отражают данные рис. 5.29, которые иллюстрируют основной вывод данного исследований о существенном влиянии режима резонанса на переуплотнение почвогрунта по мере развития циклических нагрузок.

(

142

)

Рис. 5.28. Зависимость уплотнения почвогрунта от относительной частоты: 1, 2, 3, 4, 5 – циклы проходов трелевочной системы

Рис. 5.29 Формирование зон уплотнений в зависимости от частоты колебаний и цикличности проходов Основываясь на полученных результатах расширим область исследований и поставим следующую динамическую задачу для изучения колебаний трелевочной системы, приведенной на рис. 5.30. Двухосный трактор массой тТ=14670 кг транспортирует пачку леса массой до тП=6000 кг, т.е. масса тС системы достигает 20670 кг, которая считается сосредоточенной в центре масс (ц.м.). На рис. 5.30 приняты следующие обозначения и величины: Сш - коэффициент радиальной жесткости шин, равный 1000 кН/м, µш - коэффициент вязкого трения шин, равный 150 Нс/см, СГ, µГ - соответственно коэффициенты жесткости (упругости) и вязкого трения грун-

143

 1 1 1   , значения которых определим ниже, Jпр - момент инер= + та   СГ

С ′Г

С ′Г′ 

ции системы в продольной плоскости, равный 110000 кг·м2, Jпо - момент инерции системы в поперечной плоскости, равный 5000 кг·м2, qi - вспомогательные координаты, связанные с профилем дороги, а именно, с перемещениями Yi, на которые сместятся шины при наезде на неровности, при этом центр масс сместится на величину Z.

Рис. 5.30 Схема колебаний двухосного трактора: в продольной (а) и поперечной (б) плоскостях Профиль дороги как случайная величина задается корреляционной функцией воздействия R(τi) с учетом дисперсии высоты неровностей Dн, см2:

R(τ i ) = Dн ρ (τ i ) = Dн e

−α τ i

cos βτ i , (5.44) где: α, β - эмпирические коэффициенты; τ i = t i − t1 - время запаздывания при наезде i - того колеса на неровность по сравнению с наездом первого

(l − l ) колеса, т.е. τ i = 1 i υ , где: li - обозначает удаленность осей от центра масс системы, движущейся со скоростью υ. В такой постановке дифференциальные уравнения вертикальных (Z), продольно-угловых (φ) и поперечных (γ) колебаний линейной динамической системы примут вид:

144

2n 2n &Z& + a Z& + a Z = 1  ∑ µ Y& + ∑ C Y  1 2 ш i ш i mC  i =1 i =1  2n 1  2n  ϕ&& + b1ϕ& + b2ϕ =  ∑ µ ш liY&i + ∑ C ш liYi  , J ПР  i =1 i =1  2n 1  2n  &  ∑ µ ш li Yi + ∑ C ш li Yi  J по  i =1 i =1  2n 2nµ ш Cш 2 n 2 µш µ 2nCш 2 b = b = l = li , С1 = ш a , a2 = , 1 где: 1 ∑ ∑ i , 2 J ПР i =1 J ПР i =1 J по mC mC

(5.45)

γ&& + C1γ& + C 2γ =

2n

∑l

2 i

,

i =1

Cш 2 n 2 С2 = ∑ li ; п=2. J по i =1 Умножая обе части выражения (5.45) на e-st , где s - комплексное число, и интегрируя от 0 до ∞ перейдем с помощью преобразований Лапласа от системы дифференциальных к системе алгебраических уравнений относительно трех передаточных функций WZ(s), Wφ(s) и Wγ(s) от поверхности движения к шинам 2n

(µ ш s + Cш )∑ e −τ s i

WZ (s ) =

(

i =1

2

mC s + a1s + a2

)

,

(5.46)

,

(5.47)

),

(5.48)

2n

(µ ш s + Cш )∑ li e −τ s i

Wϕ (s ) =

i =1

(

2

J ПР s + b1 s + b2

)

2n

(µ ш s + Cш )∑ li e −τ s i

Wγ (s ) =

(

i =1

2

J по s + С1 s + С2

Для определения амплитудных частотных характеристик системы примем в (5.46)-(5.48) s=iω, где ω - частота колебаний, с-1, а i - мнимая единица. В результате получим: 2n 2n 2n     2n τ ω µ ω τ ω µ ω τ ω C i C + − + cos sin cos i ш ∑ i  i ш ∑ sin τ i ω   ш ∑  ш∑ i =1 i =1 i =1 =   WZ (iω ) =  i =1 2 mC a2 − ω + ia1ω (5.49) Z Z K ω + iCω = , mC µωZ + iN ωZ

[(

(

)

]

)

145

2n 2n 2n 2n     C l l i l C τ ω µ ω τ ω µ ω τ ω cos sin cos + − + i ш ∑ i i  i ш ∑ sin τ i ω   ш ∑ i  ш∑ i i =1 i =1 i =1 =   Wϕ (iω ) =  i =1 2 J ПР b2 − ω + ib1ω (5.50)

[(

=

ϕ ω

ϕ ω

]

)

K + iC , J ПР µ ωϕ + iN ωϕ

(

)

2n 2n 2n 2n     C l l i l C τ ω µ ω τ ω µ ω τ ω + − cos + sin cos sin τ i ω  ∑ ∑ ∑ ∑ ш i i ш i i ш i i ш    i =1 i =1 i =1 =   Wγ (iω ) =  i =1 2 J по С 2 − ω + iС1ω (5.51)

[(

=

]

)

K ωγ + iCωγ . J по µ ωγ + iN ωγ

(

)

Амплитудные частотные характеристики - вертикальные AZ, продольно-угловые Aφ и поперечные Аγ- представляют собой модули WZ (iω ) , Wϕ (iω ) и Wγ (iω ) , т.е.: 1 AZ = mC

(K ) + (C ) (µ ) + (N ) Z 2

Z 2

ω

ω

Z 2

Z 2

ω

ω

; Aϕ =

1 J ПР

(K ) + (C ) (µ ) + (N ) ϕ 2 ω

ϕ 2 ω

ϕ 2 ω

ϕ 2 ω

1 ; Aϕ = J по

(K ) + (C ) (µ ) + (N ) γ 2 ω

γ 2 ω

γ 2 ω

γ 2 ω

. (5.52)

Допустим, что на лесосеке имеются два различных волока с известными продольными и поперечными профилями, которые определяют спектральную плотность S(ω) микронеровностей: 2α (α 2 + β 2 + ω 2 ) S (ω ) = Dн (5.53) 2 . ω 4 + 2(α 2 − β 2 )ω 2 + (α 2 + β 2 ) Параметры профиля трелевочных волоков Волок α, 1/с β, 1/с Dн, см2 Продольный профиль 1 0,72 1,30 17,7 2 0,57 1,04 60,0 Поперечный профиль 1 0,98 2,31 30,9 2 0,81 1,98 16,3 На рис. 5.31 приведены результаты определения S(ω) для первого волока в поперечной (1) и продольной (2) плоскостях при скорости движения υ=1м/с.

146

Рис. 5.31 Спектральные плотности микронеровностей в различных плоскостях С помощью соотношений (5.52) вычисляем AZ, Aφ, Аγ и находим спектральные плотности S mZ (ω ) , S mϕ (ω ) , S mγ (ω ) колебаний системы соответственно вертикальные, продольно-угловые и поперечные: S mZ (ω ) = S (ω )AZ2 ; S mϕ (ω ) = S (ω )Aϕ2 ; S mγ (ω ) = S (ω )Aγ2 (5.54) На рис. 5.32 представлены результаты расчетов спектральных плотностей колебаний в двух плоскостях для первого и второго волоков, дисперсии высоты которых значительно отличаются. Как видно для двух абсолютно различных волоков состояние резонанса наблюдается именно в поперечной плоскости, тогда как спектральная плотность в вертикальной плоскости существует в узком диапазоне низких частот. Далее определяются соответствующие корреляционные функции как оригиналы спектральных плотностей: R Z (τ ) =

1

∞

1

S (ω )cos τωdω , Rϕ (τ ) = π∫ π Z m

0

∞

∫ S m (ω )cos τωdω , Rγ (τ ) = ϕ

0

1

∞

S γ (ω )cosτωdω . (5.55) ∫ π m

0

и, принимая τ=0, находятся дисперсии σ Z2 , σ ϕ2 , σ γ2 и средние квадратические отклонения (СКО) амплитуд σ Z , σ ϕ , σ γ соответственно линейных вертикальных, продольно-угловых и поперечных колебаний:

σ = 2 Z

1

∞

1

∞

S (ω )dω , σ ϕ = ∫ S (ω )dω , σ γ π∫ π Z m

0

2

ϕ

m

0

2

=

1

∞

S γ (ω )dω . ∫ π m

(5.56)

0

Полученные значения σ Z , σ ϕ , σ γ принимаются в качестве компонент приведенного СКО амплитуды колебаний σ , которое принимается за коэффициент kд динамического усиления давления системы через шины на почвогрунт: 147

σ =

(σ Z )2 + (σ ϕ )2 + (σ γ )2

. (5.57) Так для первого волока при скорости движения 1 м/с коэффициент динамического усиления составил 2,1, при этом усиление в поперечной плоскости достигло 1,93 (91,9% от интегрального значения), в вертикальной – 1,13 (53,8%), в продольно-угловой – 0,16 (7,6%). Необходимо отметить, что отношение компонент усиления 1,93/1,13=1,71 практически совпадает с отношением дисперсий высот микропрофилей 30,9/17,7=1,75, что лишний раз позволяет сделать вывод о существенном влиянии внешнего воздействия на колебательный процесс. Рассмотрим более сложный случай реологии почвогрунта с остаточными деформациями (рис. 5.32). Динамической диаграмме соответствует сжатие пружины 1, а статической диаграмме – совокупное сжатие обеих пружин в рамках модели Фойгта. Разгрузка среды происходит по другим законам, причем после ударного сжатия за фронтом волны напряжения может происходить как непрерывный рост так и убывание напряжений. В первом случае деформация, а значит и уплотнение почвы, будет возрастать вследствие дополнительного сжатия среды и переупаковки зерен грунта. Во втором случае одновременно происходит как снижение деформации за счет разгрузки так и ее рост в ходе переупаковки. Деформация εд соответствует динамической сжимаемости, а εс - статической, т.е. деформация элемента среды определяется как сумма ε=εд+εс.

Рис. 5.32 Схема нагружения вязкопластичного грунта: А) сжимаемость динамическая (1) и статическая (2); разгрузка динамическая (3) и статическая (4); б) модель среды с динамической (1), статической (2) пружинами и демпфером (3).

148

Таким образом, в силу линейного характера связи относительной плотности и деформаций будем считать, что величина уплотнения представляет собой результат суммарного проявления динамического и статического уплотнений. При ударном сжатии деформация ε почвы определяется только диаграммой динамического сжатия, так как деформация εc не возникает. Таким образом, для всех четырех режимов и соответствующих диаграмм нагружения и разгрузки можно записать: 1. σ ä = Åäε , 2. σ с = Ес ε , 3. σ = E рд (ε − ε 1ост ) ; 4. σ = E рс (ε − ε 2ост ) , (5.58) Где: ед и ес – соответственно динамический и статический модули деформации при нагружении; ерд и ерс – тоже при разгрузке; ε 1 , ε 2 - остаточные деформации. Применительно к поставленной динамической задаче интерес представляют только первые три режима. За фронтом динамического сжатия поведение среды опишем дифференциальными уравнениями: 1) при росте напряжений σ: dε 1 dσ σ + µГε = + µГ , (5.59) dt Е д dt Ес где: µГ – параметр вязкости (обратная величина времени tр релаксации напряжений – периода, за который они снижаются в е=2,71 раз), определяеост

мый как: µ Г =

ост

1

Ес Ед ; η – коэффициент вязкости. η (Е д − Е с )

2) при уменьшении напряжений σ:  1  1 dε 1 dσ 1 1  1  + µГε = + µ Гσ  − + + µ Гσ д  − Е  Е  . (5.60) dt Е рд dt Е Е Е с д рд д рд     Решая уравнения (5.47) и (5.48) при начальном условии: в момент t=0 деформация ε равна

σд

Ед

, получим:

ε + = εд + µГ

1) при росте σ:

σд Ес

t

(5.61);

2) при уменьшении σ:



 1 1    1 1 1   − µ Г t − + σ д − + − 1 е . (5.62)     Е   Е Е Е Е рд   с рд   с   д 

ε − = 1 − µ Г t + σ д  

Подробнее остановимся на втором, наиболее характерном для сжатия слабых грунтов, решении.

149

На рис. 5.33 представлен характер изменения во времени динамического уплотнения ρ д за фронтом волны сжатия по сравнению с фронтальным значением ρ д = ε д + 1 . Шкала времени – относительная ( t = t t ). р Расчеты соответствуют следующим данным: Ес=2; Ед=10; Ерд=12 МПа; ε 1ост =0,027; η=0,35 кГ·с/см2; µГ=7,14 с-1; tр=140 мс. Как видим за период времени, равный 0,4…0,5 tр (60…70 мс), происходит дополнительное уплотнение почвы (до 10 и более %) по сравнению с максимальным значением на фронте волны сжатия. Дальнейшее развитие режима разрузки в течение t <0,9tр приводит к снижению динамического уплотнения до начальных (фронтальных) значений. После этого отмечается развитие режима разуплотнения грунта и снижение величины ρ д на 8…10%. С высокой степенью точности (коэффициент аппроксимации превышает 0,99) зависимость, представленная на рис. 5.33, описывается уравнением: ρ д (t ) = 1 + 0,432t − 0,487t 2 . (5.63) Как показали исследования после первого цикла прохода трактора (n=1) на скорости движения υ=1 м/с величина динамической деформации составила εд=0,1, т.е. Динамическое уплотнение на фронте волны сжатия достигает ρ д =1,1. На следующем цикле (n=2) полученная деформация принимается за исходную, суммируется с расчетной и определяется соответствующее значение относительного уплотнения ( ρ д =1,19) и т.д. В том случае, когда почвогрунт описан адекватной реологической моделью и известны его характеристики, необходимо корректировать полученные значения ρ д в соответствии с графическими данными рис. 5.33

Рис. 5.33. Характер изменения динамического уплотнения во времени

150

Обобщая полученные результаты, установлен характер уплотнения почвы под действием динамических, статических и приведенных (суммарных) нагрузок (рис. 5.34). Как видно из графиков рис. 5.34 процесс уплотнения почвы происходит под действием как динамических, так и статических нагрузок, соизмеримых по величине и результирующему вкладу в общий процесс уплотнения грунта. Уже после 5-6 циклов прохода трактора относительное уплотнение почвы возрастает более, чем в два раза. С учетом вышеотмеченных особенностей режимов рагрузки и возможного разуплотнения почвы на 8-10% для динамического состояния (кривая 3) суммарное уплотнение заполняет диапазон значений 1,8…2.

Рис . 5.34 Влияние цикличности на уплотнение почвы при действии нагрузки: 1 - суммарной, 2 – статической; 3 – динамической

5.5. Выводы по главе 5 1. В труднодоступных для проведения лесосечных работ местностях (заболоченных, переувлажненных и холмисто-грядовых) в Северо-Западном регионе РФ имеется значительный запас спелых и перестойных лесов, освоение которых, требует применения специальных систем машин и технологических процессов, не только в связи со спецификой почвенно-грунтовых и рельефных условий, но, и прежде всего, в виду особой ранимости биогеоценозов в таких условиях. 2. Наиболее предпочтительным при разработке труднодоступных лесосек в условиях СЗФО представляется использование универсальных бензиномоторных пил, самоходных канатных трелевочных установок и минитракторов.

151

6. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕСОСЕЧНЫХ РАБОТ

6.1. Методика оценки и показатели экологической эффективности работы трелевочных тракторов Функционирование лесосечных машин, включая трелевочные тракторы, можно представить как процесс, состоящий из отдельных технологических операций (рабочих, транспортных и смешанных), направленных на достижение единой цели. Любое научное исследование лесосечных машин предусматривает, в конечном итоге, раскрытие сущности явлений с целью изучения каких либо свойств объекта. При этом получили широкое распространение, и стали весьма актуальными исследования, в которых в какой-либо мере анализируется эффективность их работы. Анализ научных работ по исследованию машин различного назначения и специальных энциклопедий позволяет утверждать, что авторы часто допускают вольности и неясности в применяемых терминах и определениях. Например, в фундаментальных энциклопедических словарях нет определения термина «эффективность», а есть только «эффект» - результат или следствие каких-либо причин, действий. Поэтому представляется целесообразным привести термины, наиболее точные с энциклопедической точки зрения. Под эффективностью будем понимать как свойство операции, так и свойство, характеризующее степень приспособленности процесса к достижению какой-либо системой цели ее функционирования. Понятно, что выполнение любых операций сопровождается не только положительными, но и отрицательными эффектами, находящимися в противоречии с конечной целью операции. В качестве примера можно привести экологический ущерб, возникающий при выполнении операций лесосечными машинами. Е.С. Венцель считает, что в разных отраслях практики - организация производства, эксплуатация транспорта, расстановка кадров, бытовое обслуживание и т.д. – все чаще возникают задачи, сходные между собой по постановке, обладающие рядом общих признаков, решаемых общими методами, которые объединяются под общим названием – исследование операций. Под операцией понимается мероприятие или система действий, объединенная единым замыслом и направлением к достижению определенной цели. Операция - всегда управляемое мероприятие. Р. Беллман утверждал, что управление есть функция состояния. Будущее поведение системы определяется ее нынешним состоянием и будущим управляющим воздействием. Операция есть управляемое мероприятие, зависящее от способа выбора определенных параметров, характеризующих ее организацию. Следо152

вательно, под «организацией» понимается выбор технических средств и методов проведения операций. При исследовании операций организуется какая-то система действий, нацеленных на выбор каких-либо решений из ряда возможных вариантов. Такой подход имеет ряд преимуществ: он расширяет кругозор исследователя, обеспечивает взаимопроникновение и взаимообогащение научных методов, подходов и приемов, выработанных в различных областях практики. Наибольшие трудности при подобном подходе встречаются не в технике вычислений и преобразований, а в методологии: постановке задачи, выборе математических моделей, осмыслении результатов. Для раскрытия сущности исследования операций Е.С. Венцель приводит ряд типичных задач из различных отраслей практики, в которых используются следующие показатели эффективности: • минимальные расходы на перевозку сырья; • минимально возможный срок строительства магистрали; • максимальная экономическая эффективность распродажи товаров; • максимальная уверенность в обеспечении выполнения боевого задания (противолодочный рейд); • обеспечение заданного уровня качества при минимальных расходах; • выявление максимального процента заболевших и носителей инфекции при обследовании населения; • максимальное удовлетворение запросов абонентов библиотеки. Среди перечисленных показателей встречаются как количественные, так и качественные показатели, имеющие различную сущность. Анализ показал, что в зависимости от объекта и цели исследования операции показатель эффективности может иметь определенный смысл, сущность и размерность. Следовательно, если в показателе отражается экологичность функционирования лесосечной машины, то его можно принять за показатель эксплуатационной эффективности работы этой машины. Изучение объектов с применением исследования операций показывает, что понятие эффективность применяется к операции, а не к объекту. Действительно, в одних условиях качественная лесосечная машина, имеющая высокий технический уровень и отличные потенциальные свойства будет показывать высокую эффективность при выполнении операций, а в других - низкую. При оценке качества функционирования машины или выполнения операции может применяться термин «эффективность» с различными показателями оценки, следовательно, показатель оценки эффективности является векторной величиной. Компонентами общего вектора эффективности могут быть производительность, энергоемкость операции, экологический ущерб, надежность и т.д. 153

Функционирование лесосечных машин в целом, и выполнение ими операций технологического процесса лесозаготовительного производства целесообразно рассматривать на основе системного подхода. Системный подход при исследовании эксплуатационной эффективности работы трелевочного трактора применил проф. Г.М. Анисимов. Система – это совокупность взаимосвязанных и расположенных в соответствующем порядке элементов какого-то целостного образования. Иногда структуру системы считают сетью связей между ее элементами. Совокупность свойств образует состояние системы. Число свойств может быть неограниченно велико, но только небольшая группа существенных свойств отражает состояние системы. В теории оптимального управления существует предпосылка, что управление есть функция состояния системы. Решение проблемы управления базируется на законе управления и определении состояния системы. Лесную машину в процессе функционирования можно характеризовать несколькими видами состояний. В задаче управления всегда содержатся четыре основных элемента: • система, которой нужно управлять; • желательный вид выходных величин; • множество управляющих воздействий; • мера стоимости или эффективности управляющих воздействий. С последней четверти прошлого столетия наблюдается тенденция расширения использования системного подхода при исследованиях мобильных систем. П.В. Аксенов и А.И. Островцев обосновали целесообразность применения системности для построения всех разделов теории автомобиля и классификации условий его эксплуатации. И.П. Ксеневич с соавторами применили системный подход при исследовании системы «поле – технологический процесс – машино-тракторный агрегат – конечный продукт». Система состоит из подсистем. Всякая система является подсистемой более сложной системы, включающей объекты, свойства, связи и выполняемые функции. В прикладной науке по автомобилям свойства их отдельных механизмов и использование автомобильного парка в народном хозяйстве рассматриваются как большая (супер) система. Каждый объект этой системы считается самостоятельной системой низшего уровня или подсистемой. Любой объект представляет собой множество взаимосвязанных элементов, каждый из которых связан прямо или косвенно с другими элементами. Связи в системном подходе несут сложную смысловую нагрузку.

154

Прямая связь Обратная связь

Рис. 6.1. Схема взаимосвязей системы

155

Рис. 6.2. Показатели, характеризующие эксплуатационные свойства и эффективность Потенциальные свойства, включающие большое число параметров и характеристик, как отдельных агрегатов, так и машин в целом, определяющие эксплуатационные свойства и надежность трелевочного трактора, объединены в группы и представлены на схеме, предложенной проф. Г.М. Анисимовым (рис. 6.1). На этой схеме отсутствуют экологические факторы. Можно предположить, что в период составления этой схемы недостаточно внимания уделялось воздействию лесосечных машин на лесную среду, и, прежде всего, уплотнению почвы лесосеки. Система показателей и факторов, характеризующих условия эксплуатации и эксплуатационные свойства трелевочного трактора представлены схемами на рис. 6.2 и 6.3. Принимая за основу схему функционирования трелевочного трактора, разработанную проф. Г.М. Анисимовым при исследовании эксплуатационной эффективности работы трелевочного трактора, дополним ее факторами, влияющими на экологическую эффективность. В соответствии с принятой в исследовании мобильных систем методологией, на основе системного подхода, функционирование трелевочного трактора можно представить как объект системы (или система суперсистемы), а также как сис156

тему, имеющую свои объекты. Эффективность работы трелевочного трактора или выполняемых им операций будем рассматривать как объект системы, а экологическую эффективность будем считать компонентом вектора эффективности. Условия эксплуатации Волок (трасса)

Производственные

Атмосферноклиматические

Физикомеханические свойства грунта (снега)

Таксационная характеристика древостоя

Температура воздуха

Микронеровности

Распределение площадей древостоя

Рельеф местности

Технологические особенности

Сложность трассы в плане

Расстояние трелевки

Влажность воздуха Атмосферное давление Атмосферные осадки

Рис. 6.3. Свойства, характеризующие условия эксплуатации трелевочных тракторов Факторы, влияющие на экологическую эффективность работы трелевочного трактора можно объединить в три группы (рис. 6.4): изменения физико-механических свойств почвогрунтов лесосеки, влияние на подрост и загрязнение окружающей среды. Многолетняя дискуссия ученых лесоводов, производственников и механизаторов о влиянии машин и технологий на подрост и его сохранность пока не внесла ясности и четкости. В одних природно-производственных условиях сохранение подроста главных пород положительно сказывается на лесовозобновлении, результаты же других исследований доказывают обратное. Загрязнение окружающей среды токсичными элементами продуктов сгорания двигателей, остатками ТГСМ, продуктами износа деталей и узлов 157

машин, например шин, шумовое и электромагнитное загрязнения, по видимому, не оказывают решающего влияния на экологичности технологического процесса. Этот вывод сделан на основе сравнения удельной загрязненности окружающей среды указанными продуктами на лесосечных работах и окружающей среды вокруг автомобильных дорог и городских улиц со средней интенсивностью движения. Более того, можно утверждать, что шумовое и электромагнитное загрязнения не представляют сколько-нибудь реальной угрозы для лесовозобновления, кроме временных неудобств для фауны на площадях окружающих лесосеку. Экологическая эффективность

Твердость Пористость Интегральный показатель (плотность)

Повреждения Отпад % сохранения Исходное количество

Загрязнение окружающей среды Токсичность продуктов сгорания

Показатели

Структурное состояние

Подрост

Показатели

Показатели

Свойства почвогрунта Плотность

ГСМ Шумовое загрязнение Электромагнитное загрязнение

Рис. 6.4. Структура экологической эффективности работы лесозаготовительной техники Многочисленные исследования лесозаготовительного производства позволяют утверждать, что основной экологический ущерб при освоении лесосеки возникает от воздействия техники и персонала на почвогрунты, на восстановление плодородия которых после завершения лесосечных работ могут потребоваться сотни лет.

158

Потенциальные свойства Масса трактора эксплуатационная, М Колесная формула Мощность двигателя номинальная, Nен Крутящий момент при Nен Коэффициент приспособляемости

Параметры

Частота вращения коленчатого вала Энергонасыщенность Nен/М Передаточное число трансмиссии

Параметры и технические решения

Динамический радиус колеса

Ходовая система

Технологическое оборудование

Рис. 6.5. Потенциальные свойства трактора, влияющие на уплотнение почвогрунта Вышесказанное позволяет выбрать в качестве основного показателя экологичности работы трелевочных тракторов увеличение значения плотности почвы от его воздействия. При проведении теоретических и экспериментальных исследований будем учитывать, что на уплотнение почвы 159

влияют параметры трелюемой пачки древесины, режим работы двигателя и потенциальные свойства трактора, которые определяются параметрами и техническими решениями, применяемыми в системах, механизмах и узлах машины (рис. 6.5). В основу управления отрицательным воздействием трелевочных систем, да и других лесосечных машин, с целью повышения экологической эффективности их работы должны быть положены организационно-технологические мероприятия (рис. 6.6), которые должны уточняться для каждой конкретной лесосеки. Мероприятия Оптимизация скоростного режима трелевочной системы

Факторы, определяющие мероприятие • микронеровности волока; сопротивления • коэффициент движению Обоснование объема и струк• средний объем хлыста; туры пачки древесины • запас леса на гектаре; • схема разработки пасеки (ленты); • прочие таксационные характеристики Трассирование путей первич• наличие, количество и располоного транспорта леса (трележение подроста главных пород; вочных волоков) • наличие и расположение неэксплуатационных площадей; почвенно• характеристики грунтовых и рельефных условий; Рис. 6.6. Организационно-технологические мероприятия по снижению уплотнения почвы лесосеки

6.2. Оценка качества лесоэксплуатации В последние годы опубликовано большое число учебнометодических и научных работ, всесторонне рассматривающих вопросы управления качеством, как на общетеоретическом уровне, так и для конкретных отраслей народного хозяйства – промышленности, торговли, финансов, медицины, образования, научных исследований, и т.д. Вместе с тем, до сих пор нет единого подхода к комплексной оценке, и, соответственно, показателям качества процесса лесоэксплуатации. В качестве примера, можно привести ряд формулировок: «Под управлением качеством лечебного процесса понимают постоянное формирование условий для оказания качественной медицинской помощи, которая должна соответствовать потребностям и ожиданиям пациента и врача, 160

а также категориям доказательной медицины»; «Под качеством процесса регулирования понимают способность автоматического регулятора поддерживать с достаточной точностью заданный закон изменения регулируемого параметра. Качество процесса регулирования тем выше, чем меньше отклонение регулируемого параметра от заданного значения и чем быстрее достигается заданный установившийся режим»; «Под качеством процесса движения понимается степень слитности (прерывности)»; «Качество образования - ряд системно-социальных свойств и характеристик, которые определяют соответствие (адекватность) системы образования принятым требованиям, социальным нормам, государственным образовательным стандартам». Данное цитирование можно продолжать весьма долго, поскольку литература, и ресурсы информационной сети Internet предлагают широкий спектр толкований и трактовок вопроса управления качеством. Одним из наиболее подходящих для нашего случая определений является «Под качеством процесса следует понимать – это совокупность свойств характеристик процесса, которые придают ему способность удовлетворять обусловленные или предлагаемые потребности» [137]. Нельзя не признать, что к определенным сторонам процесса лесоэксплуатации, с точки зрения управления качеством процесса, неоднократно обращались отечественные и зарубежные авторы. Подавляющее большинство этих работ относится к экологическим аспектам лесоэксплуатации, сохранению биоразнообразия лесной среды, а также количественным оценкам качества лесовозобновления. Наиболее распространенное мнение о качестве проведения лесозаготовительных работ указывает на отказ от проведения сплошных рубок леса, для сохранения биологического разнообразия, и максимально возможное сохранение подроста главных пород, для сокращения оборота рубки. На такой трактовке качества лесозаготовок настаивают рекомендации международных природоохранных организаций, таких как WWF и Greenpeace. Следовательно, отказ от проведения сплошных рубок главного пользования лесом, также не может служить убедительным показателем качества лесоэксплуатации. Кроме этого, устойчивое или расширенное лесовозобновление и сохранение биологического разнообразия лесной среды, поддержание и сохранение всех экологических функций лесов, хотя и являются важнейшей задачей процесса лесоэксплуатации, но они не полностью описывают все требования к процессу. Известно, что лес является самым производительным из всех типов растительного покрова. И как наиболее производительная система должен максимально обеспечивать удовлетворение потребностей как местного на-

161

селения, так и населения Земли в целом. Естественно, при соблюдении всех вышеперечисленных условий. Так в чем же состоит способность леса, как биогеоценоза, удовлетворять обусловленные потребности? Воспользуемся определением «Лес – это элемент географического ландшафта, состоящий из древесных, кустарниковых и травянистых растений, элементов животного мира и микроорганизмов, в своем биологическом развитии взаимосвязанных, и оказывающих влияние друг на друга и на окружающую среду», а также перечнем видов пользования лесом (содержащемся в статье 80 Лесного кодекса РФ, принятого в 1997 г.): «В лесном фонде могут осуществляться следующие виды лесопользования: 1) заготовка древесины; 2) заготовка живицы; 3) заготовка, второстепенных лесных ресурсов (пней, коры, бересты, пихтовых, сосновых, еловых лап, новогодних елок и других); 4) побочное лесопользование (сенокошение, пастьба скота, размещение ульев и пасек, заготовка древесных соков, заготовка и сбор дикорастущих плодов, ягод, орехов, грибов, других пищевых лесных ресурсов, лекарственных растений и технического сырья, сбор мха, лесной подстилки и опавших листьев, камыша и другие виды побочного лесопользования, перечень которых утверждается федеральным органом управления лесным хозяйством); 5) пользование участками лесного фонда для нужд охотничьего хозяйства; 6) пользование участками лесного фонда для научно-исследовательских целей; 7) пользование участками лесного фонда для культурнооздоровительных, туристических и спортивных целей». Не считая трех последних видов пользования, о качестве которых как научных исследований и сферы услуг написано достаточно много, остановимся подробнее первых четырех. Отметим, что лесоэксплуатация имеет существенные отличия от сельскохозяйственного производства, которое в подавляющем большинстве случаев рассчитано на производство монокультур на определенных площадях, т.е. – отдельные площади отводятся для животноводства, отдельные для однолетних монокультур, отдельные для многолетних, и сбор продукции производится, как правило, в определенное время – время спелости урожая. Основное отличие леса, в данном случае, состоит в том, что на одной площади, в различные периоды (например, за оборот рубки) может быть получен широчайший спектр полезной продукции, процессы «производства» которой идут параллельно и не мешают друг другу [138]. Это свойство леса известно человечеству издавна, например, весенний сбор древесных соков, летний и осенний сбор грибов и ягод и т.д. Однако, как же можно количественно оценить эффективность (качество) такого многоцелевого пользования единицей лесной площади?

162

Исходя из концепции продуктивности экологических систем [139] в промышленном производстве процесс цикличен, и заканчивается появлением определенного количества того или иного продукта, то в лесном биогеоценозе, как и в большинстве других биологических сообществ, процесс «производства» непрерывен во времени, поэтому продукцию необходимо относить к выбранной единице времени. Понятно, что в качестве показателей качества процесса лесоэксплуатации на определенной лесной площади могут, и должны, использоваться экономические характеристики, однако они в очень большой степени будут зависеть от месторасположения лесного участка – удаленности от потребителей и наличия дорожной сети. Поэтому данный показатель также не может служить универсальным показателем рациональности рассматриваемого процесса. Такие распространенные сравнительные характеристика, как съем древесины с 1 га лесной площади (в м3) и оборот рубки (лет), также не могут удовлетворить требованиям универсальности, поскольку не учитывают наличие недревесной и прижизненной продукции леса, а также различия в породном составе, классе бонитета и пр. На наш взгляд универсальный показатель качества процесса лесоэксплуатации, учитывающий все различия в природно-производственных условиях месторасположения лесных участков, может быть найден исходя из понятий «экологическая эффективность» и «качество энергии» [139]. Понятно, что эксплуатируемые леса, хотя и в значительно меньшей степени, чем сельскохозяйственные угодья, с экологической точки зрения относятся экосистемам движимым Солнцем с естественными и искусственными энергетическими субсидиями. Как и в сельском хозяйстве, дополнительные энергетические субсидии тратятся на различные виды уходов за лесом, проведение лесопользований и доставку до потребителей. Сюда же следует включить затраты энергии на проведение всех видов подготовки, особенно строительство путей транспорта. Следовательно, как и в сельском хозяйстве, в котором «хлеб, рис, кукукуруза и картофель, которые человечество использует в пищу, «частично сделаны из нефти»» [139], так и продукты лесоэксплуатации могут быть оценены по энергоемкости их получения. Для этого, очевидно, следует использовать методику оценки энергоемкости лесозаготовительных работ, разработанную учеными СПб ГЛТА [140, 141]. И, если оценка энергетической «себестоимости» не вызывает методологических сложностей, то оценка энергетической «стоимости» получаемых продуктов лесоэксплуатации, также давно известна. Следовательно, разность между энергетической «себестоимостью» (энергозатратами на все фазы получения продуктов лесоэксплуатации) и энергетической 163

«стоимостью» (энергоемкостью) этих продуктов, и будет показывать абсолютный экологический эффект процесса (его оптимальность). То есть,

Wпр − W затр = W эф , где: Wпр – энергоемкость продуктов лесоэксплуатации; Wпр – затраты на все фазы получения продуктов лесоэксплуатации; Wэф – энергетический эффект процесса лесоэксплуатации. Можно также записать другое требование универсального показателя качества процесса лесоэксплуатации:

Wпр Wзатр

⇒ max .

Однако, при оценке качества процесса лесоэксплуатации по предлагаемому критерию, необходимо привести показатели энергоемкости продуктов лесоэксплуатации и затраты на все фазы получения продуктов лесоэксплуатации к единому знаменателю, исходя из принципа повышения качества и понижения количества энергии в цепях ее переноса. Вывод: Отказ от сплошных рубок леса, количество сохраненного при лесозаготовках подроста главных пород, экономические показатели, съем древесины с 1 га лесной площади (в м3) и оборот рубки (лет), не могут служить универсальными показателями качества процесса лесоэксплуатации, поскольку не учитывают различия природнопроизводственных условий месторасположения лесных участков. Наиболее универсальным показателем качества рассматриваемого процесса является энергетическая эффективность, получаемая как разность энергоемкости продуктов лесоэксплуатации и затраты на все фазы получения продуктов лесоэксплуатации.

164

ЛИТЕРАТУРА 1. Большая советская энциклопедия. Том № 42. М.: Изд-во «Большая советская энциклопедия». 1956. 670 с. 2. Советский энциклопедический словарь. Под ред. А.М. Прохорова. М.: Изд-во «Советская энциклопедия». 1983. 1600 с. 3. Кочегаров В.Г., Бит Ю.А., Меньшиков В.Н. Технология и машин лесосечных работ. – М.: Лесная промышленность. 1990 г. 387 с. 4. Григорьев И.В., Жукова А.И. Технологические процессы лесозаготовок // Деловой лес. 2003. № 1. С. 8-9. 5. Матвейко А.П. Технология и машины лесосечных и лесовосстановительных работ. – Минск: Высшая школа. 1975 г. 520 с. 6. Савченкова В.А. Совершенствование технологии лесосечных работ с сохранением подроста при машинной заготовке леса в условиях среднего Приангарья. Автореферат дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук. Братск: БрГУ. 2005. 24 с. 7. Побединский А.В. Рубки главного пользования. – М.: Лесная промышленность. 1980 г. 192 с. 8. Никишов кид 9. Вороницин К.И., Гугелев С.М. Машинная обрезка сучьев на лесосеке. – М.: Лесная промышленность, 1989. – 272 с. 10.Вороницин К.И., Виногоров Г.К., Гугелев С.М. Обрезка сучьев самоходными машинами ЛП-33. – М.: Лесная промышленность, 1985. – 110. 11.Цыгарова М.В. Повышение эффективности освоения лесосек с переувлажненными грунтами путем обоснования рациональной технологии (в условиях республики Коми). Автореферат дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб.: ЛТА. 1998. 21 с. 12.Иванов П.Б. Лесопользование: действительность и возможности // Техномир № 3. 2004 г. С. 12-15. 13.Мелехов И.С. Лесоводство. М.: Агропромиздат, 1989. 302 с. 14.Вараксин Ф.Д., Ступнев Г.К. Основные направления технического прогресса лесной и деревообрабатывающей промышленности. – М.: Лесная промышленность, 1974. 400 с. 15.Барановский В.А. Некрасов Р.М. Системы машин для лесозаготовок. – М.: Лесная промышленность. 1977 г. 246 с. 16.Григорьев И.В., Каляшов В.А. Современные тенденции развития техники и технологий лесосечных работ // Леспроминновации. 17. Александров В.А. К вопросу развития отечественных многооперационных лесосечных машин // в кн. Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Вып. 169. СПб.: ЛТА. 2003 г. С. 118-128. 165

18. Анисимов Г.М. Эксплуатационная эффективность трелевочных тракторов. М.: Лесная промышленность. 1990. 208 с. 19. Анисимов Г.М., Большаков Б.М. Основы минимизации уплотнения почвы трелевочными системами. СПб.: ЛТА, 1998 г. 106 с. 20. Мелехов И.С. Лесоводство. М.: ВО «Агропромиздат». 1989 г. 302 с. 21. Григорьев И.В., Жукова А.И. Технологические аспекты сохранения биоразнообразия леса при проведении сплошных рубок // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Вып. № 173. СПб.: ЛТА. 2005. С.52-58. 22. Мелехов И.С. Лесоведение. М.: Лесная промышленность. 1980. 405 с. 23. Плюснин И.И. Мелиоративное почвоведение. М.: Колос. 1971. 215 с. 24. Плюснин И.И., Голованов А.И. Мелиоративное почвоведение. М.: Издательство «Колос» 1983. 192 с. 25. Ковда В.А. Почвенный покров. Его улучшение, использование и охрана. М.: Наука, 1981. 250 с. 26. Калини М.И. Истоки плодородия. Киев: Вища школа, 1986 г. 230 с. 27. А.А. Роде Система методов исследования в почвоведении. Новосибирск: Наука. 1971. 92 с. 28. А.А. Роде Генезис почв и современные процессы почвообразования. М.: Наука. 1984. 255 с. 29.Ксеневич И.П., Скотников В.А., Ляско М.И. Ходовая система – почва – урожай. М.: Машиностороение, 1975. 422 с. 30.Горячкин В.П. Собрание сочинений в трех томах. – М.: Колос, 1968. 31.Прохоров А.Н. Творческое развитие учения академика В.П. Горячкина // Лесное хозяйство. 1998. № 3. С. 53-54. 32.Русанов В.А. Проблемы переуплотнения почв движителями и эффективные пути ее решения. – М.: Изд-во ВИМ. 1998 – 360 с. 33.Страторнович А.И., Маркова И.А., Матюхина З.Ф., и др. Влияние механической подготовки почвы на ее свойства и рост культур //Механизация лесохозяйственных работ на Северо-Западе таежной зоны. Сборник научных трудов. Вып. 25. Л.: ЛенНИИЛХ, 1976. С. 917. 34.Данилюк В.Н. Влияние техники и технологии лесозаготовок на водоохранно-защитную роль леса // Лесное хозяйство. 1979. № 1, с. 2426. 35.Рогожин Л.Н., Григорьев М.Н. Лесоводственная оценка машины ВТМ-4// Лесная промышленность. 1972. № 6, с. 17-18. 36.Обыденников В.И. Новая лесозаготовительная техника и восстановление леса. М.: Лесная промышленность. 1980. 96 с.

166

37.Гиряев Д.М. Лесовосстановление в многолесной зоне РСФСР.// Лесное хозяйство, 1981. № 2.с. 39-40. 38.Обыденников В.И. Лесоводственная оценка новых лесозаготовительных машин. Экспресс-информация «Лесоведение и лесоводство» ЦБНТИЛесхоза, вып. 16, 1978. 19 с. 39.Кольцов Б.И. Экология и освоение горных лесов // Лесная промышленность. - 1992. № 7. – с. 21-22. 40.Каразия С.П. Влияние сплошных рубок на вводно-физические свойства почв в различных лесорастительных условиях. //Экологические предпосылки и последствия лесохозяйственной деятельности. Сборник научных трудов. Л.: ЛенНИИЛХ. 1992. С. 50-56. 41.Побединский А.В. Рубки и возобновление в таежных лесах СССР. М.: Лесная промышленность. 1973. 200 с. 42.Липман Д.Н. Полимерные материалы в лесозаготовительном производстве: Обзор. информ. по информ. обеспечению целевых комплексных научно-техн. программ…, Вып. 5. М.: ВНИПИЭИлеспром, 1985. 44 с. 43.Занин А.В., Обоснование рациональных параметров гусеничного движителя трелевочного трактора. Автореферат дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук. Петрозаводск: ПетрГУ, 2004. 15 с. 44.Лысых С.А. Обоснование параметров ходовой системы трелевочного трактора с целью снижения неравномерности работы гусеничного движителя и уплотнения почвы. Автореферат дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб.: ЛТА. 2001. 18 с. 45.Григорьев И.В. Влияние способа трелевки на эксплуатационную эффективность трелевочного трактора. Автореферат дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб.: ЛТА. 2000. 22 с. 46.Ильин А.М. Обоснование технологии трелевки древесины с учетом снижения воздействия движителя трактора на почву. Автореферат дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб.: ЛТА. 2004. 19 с. 47.Алябьев В.И. Оптимизация производственных процессов на лесозаготовках. – М.: Лесная промышленность, 1977. - 231 с. 48.Алябьев В.И. Математическое моделирование и оптимизация производственных процессов на лесозаготовках. – М.: МЛТИ, 1978. Ч.1. 112 с.; 1979. Ч.2. – 79 с. 49.Редькин А.К. Основы моделирования и оптимизации процессов лесозаготовок. – М.: Лесная промышленность, 1988. - 256 с.

167

50.Андреев В.Н., Герасимов Ю.Ю. Принятие оптимальных решений: теория и применение в лесном комплексе. – Изд-во университета Йоэнсуу. Финляндия, 1999. - 200 с. 51.Анисимов Г.М., Большаков Б.М. Новые концепции теории лесосечных машин. – СПб.: ЛТА, 1998. - 114 с. 52.Анисимов Г.М., Семенов М.Ф. Управление качеством лесных гусеничных и колесных машин в эксплуатации. – СПб.: ЛТА, 1997. - 106 с. 53.Мазуркин П.М. Эвристико-математическое моделирование. – Рига: Институт философии и права, 1987. - С. 234-236. 54.Семенов М.Ф. Обоснование параметров и технических решений модульных трелевочных систем с целью повышения производительности и снижения энергоемкости процесса. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. – СПб.: ЛТА, 1996. - 36 с. 55.Немцов В.П. Развитие машинной технологии лесозаготовок в России // Лесная промышленность. - 1993. № 5. – С. 12-13. 56.Ильин Б.А. Обоснование параметров размещения путей лесотранспорта. – М.: Лесная промышленность, 1965. - 140 с. 57.Добрынин Ю.А. Повышение эффективности технической эксплуатации лесоосушительных систем на основе разработки технологического комплекса машин. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. – СПб.: ЛТА. 1992. - 36 с. 58.Александров В.А. Моделирование технологических процессов лесных машин. – М.: Экология, 1995. - 258 с. 59.Большаков Б.М. Снижение отрицательных последствий от воздействия трелевочных систем на лесную почву: Диссертация доктора технических наук. – СПб.: ЛТА, 1999. - 62 с. 60.Большаков Б.М. Особенности размещения трелевочных волоков с учетом их работоспособности на переувлажненных грунтах: Диссертация кандидата технических наук – Л.: ЛТА, 1988. 61.Бартенев И.М., Прядкин В.И. К вопросу удельного давления гусеничного трактора на почву // Лесное хозяйство. - 1997. № 6. – С. 4445. 62.Коробов В.В. Многооперационные машины и окружающая среда // Лесная промышленность. - 1993. № 5-6. - С.13-14. 63.Котиков В.М. Воздействие лесозаготовительных машин на лесные почвы: Диссертация доктора технических наук. – М.: МЛТИ, 1995. 214 с. 64.Котиков В.М., Сладкевич Я.В. Ходовые свойства машин и экология // Лесная промышленность. - 1990. № 12. - С.5. 168

65.Петровский В.С., Харитонов В.В. Автоматика и автоматизация производственных процессов лесопромышленных предприятий. – М.: Лесная промышленность, 1984. - 240 с. 66.Силунов Ю.Д., Багин Ю.И., Лившиц Н.В. Машины и механизмы лесосечных и нижескладских работ и лесного хозяйства. – М.: Экология, 1992. - 463 с. 67.Кочнев А.М. Повышение эксплуатационных свойств колесных трелевочных тракторов путем обоснования их основных параметров. Автореферат дис. на соискание ученой степени д-ра техн. наук. – СПб.: ЛТА, 1995. - 36 с. 68.Пошаников Ф.В. Применение метода стохастических автоматов при решении оптимизационных задач с имитационным моделированием процессов в лесном комплексе // Лесной журнал. - 1989. №5. – С. 19 – 26. 69.Матвейко А.П., Федоренчик А.С. Технология и машины лесосечных работ. – Минск: УП «Технопринт», 2002 г. 480 с. 70.Григорьев И.В., Жукова А.И. Технологические аспекты сохранения биоразнообразия леса при проведении сплошных рубок // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Вып. № 173. СПб.: ЛТА. 2005. С.52-58. 71.Романюк Б.Д., Загиддулина А.Т., Книзе А.А. Природоохранное планирование ведения лесного хозяйства. СПб.: СПбНИИЛХ. 2002 г. 12 с. 72.Жукова А.И. К вопросу сохранения ключевых биотопов при главном пользовании лесом // Материалы межвузовской научнопрактической конференции «Проблемы и перспективы лесного комплекса», Воронеж 26-27 мая. 2005 г. Т. 1, С. 150-154. 73.Ниемеля П., Яковлев Е., Кравченко А., и др. Экологическая устойчивость //Проект тайга – модельный лес: Заключительный отчет. Издво университета Йоэнсуу. Финляндия, 1999. С. 35-59. 74.Х. Пуурунен Устойчивое развитие лесного сектора в северное Европе // Инициатива лесного сектора в Баренцевом море: заключительный отчет и материалы семинара экспертов. Изд-во университета Йоэнсуу. Финляндия, 1999. С. 15-22. 75.Э. Аннила Пространственное и сукцессионное многообразие в бореальных лесах. //Труды VII ежегодной конференции МАИБЛ «Устойчивое развитие бореальных лесов». М.: ВНИИЦлесресурс. 1997. С. 17-20. 76.Peterken G.F. Natural woodlans. Ecology and conservation in northern temperate regions. Cambridge University Press, 1996. 120 p. 77.Harris L.D. The Fragment forest. University of Chicago Press, 1984. 66 p. 169

78.Committee report. Report on the monitoring of threatened animals and plants in Finland. Ministry of the Environment. Valtion Painatuskeskus, 1991. 25 p. 79.Ehstrom B., Gardenfors U., Lindelow A. Swedish red list of invertebrates 1993. 15 p. 80.Исаев А.С. Мониторинг биоразнообразия лесов России. // Труды VII ежегодной конференции МАИБЛ «Устойчивое развитие бореальных лесов». М.: ВНИИЦлесресурс. 1997. С. 62-65. 81. Обыденников В.И. Применение новых машин на лесосеках с соблюдением лесоводственных требований. Экспресс-информация, «Механизация и автоматизация лесохозяйственного производства», ЦБНТИЛесхоз, вып. 1, 1980. 43 с. 82. Новиков Б.Н., Захаров О.Т. Лесоводственная оценка машины ЛП-2 в зависимости от условий разработки лесосек. Реферативная информация ЦБНТИЛесхоз, 1972, № 11. С. 21-22. 83. Обыденников В.И., Рожин Л.Н. Лесоводственная оценка работы машины ВТМ-4. Труды ЦНИИМЭ «Технология и комплексная механизация лесосечных работ», 1976. С. 71-80. 84.Вечерин А.М., Гаркунов Г.А. Лесоводственная оценка ЛП-19 и ЛТ157.// Лесное хозяйство, 1979. № 1. С.27-30. 85. Трус М.В., Чумин В.Т. О технологии лесосечных работ с применением бесчекерных машин.//Лесное хозяйство, 1978. № 1. С. 31-35. 86. Помазнюк В.А., Смердов В.В. Об освоении агрегатных машин на Урале.// Лесное хозяйство, 1979. № 1. С.26-27. 87.Рубцов М.В., Дерюгин А.А., Гурцев Влияние лесозаготовительной техники на почву и сохраняемость подроста // Лесное хозяйство. 1985. № 6. С. - 36-37. 88.Набатов Н.М., Родин С.А. Экологические проблемы лесовосстановления в лесной зоне Европейской части России // Лесное хозяйство. 1993. № 6. – С. 6-8. 89.Рогалюк Л.А., Андрюшин М.И., Козлов Н.Н. Как оценивать воздействие движителей на лесные почво-грунты // Лесная промышленность. - 1993. № 4. – С. 23. 90. Бартенев И.М., Винокуров В.Н. Экологизация технологий и лесной техники // Лесное хозяйство. - 1992. № 4. – С. 5-7. 91. Сеннов С.Н. Лесоводство. СПб ЛТА. 1999 г. 132 с. 92. В.И. Обыденников, Л.Н. Рожин. Роль предварительного возобновления в формировании молодого поколения леса // Труды ЦНИИМЭ «Технология и мханизация лесосечных работ» 1984. С. 106-111. 93.Побединский А.В. Возобновление леса на концентрированных вырубках. – М., Л.: Гослесбумиздат, 1965 92 с. 170

94.Григорьев И.В., Жукова А.И., Ильин А.М. Повышение эксплуатационной и экологической эффективности сплошных рубок с сохранением биоразнообразия леса на основе ключевых биотопов. Деп. рукописи: библиогр. указ. ВИНИТИ, 02.04.03. №599 – В – 2003. 22 с. 95.Шарый М.А., Ботенков В.П. Машинизация и лесовосстановление. // Лесная промышленность. 1981 г. № 7 С. 10-12. 96.Федоров В.В. Распределение деревьев по диаметрам и размещение подроста в лесах Северо-Запада СССР. // В сб. науч. тр. Механизация лесозаготовок, вып. № 154. Л.: ЛТА. 1973 г. С. 10-12. 97.Коробов В.В. Многооперационные машины и окружающая среда // Лесная промышленность. - 1993. № 5-6. - С.13-14. 98.Барановский В.М. Технологическая оценка лесосечных машин // Лесная промышленность. - 1988. № 8. – С. 9-10. 99.Вороницын К.И., Гугелев С.М. Технологическая оценка лесосечных машин // Лесная промышленность. - 1988. № 4 – С. 9-10. Столяров Д.П,, Декатов Н.Н., Минаев В.Н. Финская техника на 100. сплошных и несплошных рубках // Лесное хозяйство. - 1991. № 10. – С. 44-47. Баранцев А.С. Лесоводственно-экологическая оценка отечест101. венной и финской техники и технологии при реконструкции лиственных насаждений // Лесное хозяйство. - 1997. № 2. – С. 21-23. 102. Кюттяля Т. Финские лесозаготовительные машины // Лесная промышленность. - 1990. № 3. – С. 22-24. Котиков В.М., Акинин Д.В. Технология и машины, обеспечи103. вающие благоприятные условия для естественного лесовозобновления. // Лесопромышленный комплекс России XXI века. Тезисы докладов – С-Пб.: 2002. С. 190. 104. Борозна А.А., Пирогов Н.А., Чистяков Н.Н., Торцев Е.В. Естественное формирование вторичных древостоев при разных технологиях сплошных рубок // Труды Санкт-Петербургского НИИ лесного хозяйства. – СПб.: 2000. – вып. 2 (3). – С. 39. 105. Капица П.Л. Эксперимент, теория, практика. М.: Наука. 1981. 496 с. Григорьев И.В., Жукова А.И., Григорьева О.И. Устройство для 106. взятия проб почвы. Патент на полезную модель № 32277, от 10.09.2003. 107. Григорьев И.В., Слеповичев А.А. Анализ напряженнодеформированного состояния конечно-элементной модели оболочки прибора для определения плотности лесных почв // Материалы Х международной научно-практической конференции «Педагогиче-

171

ский менеджмент и прогрессивные технологии в образовании». – Пенза 2003. С. 499-501. 108. Александров В.А. Механизация лесосечных работ в России. – СПб.: СПб ЛТА, 2000. - 208 с. Лапшин В.А. Сохранение подроста при разработке лесосек со 109. слабыми грунтами // Лесная промышленность – 1989. №1 - с. 16-17. Андреев В.Н., Петровец В.Ф., Фаст В.И. Моделирование и оп110. тимизация процессов лесозаготовок: Методическое указание. СПб., 1996. – 60 с. 111. Петров А.П. Экономические факторы эффективности лесозаготовок. // Лесная промышленность. - 1988. № 4 – с. 24-26. Григорьев И.В., Жукова А.И. Технологические возможности 112. повышения эффективности сплошных рубок главного пользования лесом // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Вып. № 171. СПб.: ЛТА. 2004. С. 18-24. Григорьев И.В., Жукова А.И., Лавришин В.В. Оптимизация ра113. боты первичного транспорта леса на лесосеках четвертой категории почвенно-грунтовых условий // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Вып. № 172. СПб.: ЛТА. 2005. С. 48-54. 114. Федяев Л.Г. Очистка деревьев от сучьев и погрузка на подвижной состав лесовозных дорог. Учебное пособие. – Л.: ЛТА, 1979. – 60 с. 115. Физический энциклопедический словарь. – М.: Советская энциклопедия. 1984. – 944 с. 116. Агейкин А.С. Вездеходные колесные и комбинированные движители. М.: Машиностроение, 1972. 183 с. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М.: Выс117. шая школа, 1978. 447 с. Бленд Д. Теория линейной вязко-упругости. М.: Мир, 1965. 199 118. с. Ляхов Г.М. Основы динамики взрывных волн в грунтах и гор119. ных породах. М.: Недра, 1974. 192 с. 120. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах. М.: Недра,1989, 270с. Гутер Р.С., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и 121. математической обработки результатов опыта. − М.: Физматгиз, 1962. − 356 с. 122. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. − М.: Наука, 1970. − 104 с. Колесников А.Ф. Основы математической обработки результа123. тов измерений. − Томск: ТГУ, 1963. − 49 с. 172

124. Плескунин В.И., Воронина Е.Д. Теоретические основы организации и анализа выборочных данных в эксперименте. Учебное пособие. − Л.: ЛЭУ, 1979. − 232 с. 125. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. Справочное руководство. − М.: Наука, 1971. − 192 с. Рыжов Э.В., Горленко О.А. Математические методы в техноло126. гических исследованиях. − Киев: Наук. думка, 1990. − 184 с. Сухов А.Н. Математическая обработка результатов измерений. 127. Учебное пособие. − М.: МИСИ, 1982. − 89 с. Бит Ю.А., Григорьев И.В., Григорьева О.И. К вопросу о колее128. образовании и уплотнении трелевочного волока // Лесосечные, лесоскладские работы и транспорт леса. Межвузовский сборник науч. тр. СПб ГЛТА, 2002 г. С 38 – 45. 129. Венецкий И.Г., Кильдишев Г.С. Основы математической статистики. М.: Госстатиздат. 1963. 307 с. Митропольский 130. 131. Законодательство России об использовании и охране биологического разнообразия // Под. ред. А.С. Шестакова М.: ГЕОС. 2001. 407 с. 132. Цветков В.Ф. Лесной биогеоценоз. Архангельск: ГУП «Соломбальская типография». 2004. 267 с. Одум. Ю. Экология. / Перевод с английского, под. ред. акад. 133. В.Е. Соколова. М.: Мир. 1986. 330 с. Лесная энциклопедия. – М.: Советская энциклопедия, Т.2, 134. 1986. - 632 с. 135. Карпечко А.Ю. Влияние механизированных рубок ухода на состояние корневой системы и прирос ели в условиях среднетаежной подзоны Карелии. Автореферат дисс. на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук. СПб. ЛТА. 2005. 20 с. Григорьев И.В. Снижение отрицательного воздействия на поч136. ву колесных трелевочных тракторов обоснованием режимов их движения и технологического оборудования. СПб.: ЛТА. 2006 г. 236 с. 137. Ю.И. Ребрин. Управление качеством. Учебное пособие. Таганрог: Издательство ТРТУ, 2004. А.И. Жукова, И.В. Григорьев, О.И. Григорьева, А.С. Ледяева 138. Лесное ресурсоведение. СПб.: СПб ГПУ, 2007. – 139. Ю. Одум Экология, Т 1. М.: Мир, 1986. – 328 с. 140. Кочегаров В.Г., Бит Ю.А., Меньшиков В.Н. Технология и машин лесосечных работ. – М.: Лесная промышленность. 1990 г. 387 с. Кочегаров В.Г., Гладков Е.Г. Энергоемкость процесса сбора 141. деревьев в пачки // Лесная промышленность, 1972, № 6. 173

СОДЕРЖАНИЕ Введение Глава 1. Состояние проблемы 1.1 Современное состояние развития технологии и оборудования лесосечных работ 1.1.1 Современные технологические процессы лесосечных работ 1.2.1 Воздействие лесозаготовительной техники и технологии на лесные почвогрунты 1.2.2 Воздействие техники и технологии лесосечных работ на биологическое разнообразие лесной среды 1.2.2.1 Сохранение подроста 1.2.2.2 Сохранение ключевых биотопов Глава 2 Теоретические исследования по совершенствованию эффективности лесосечных работ 2.1 Координатно-объемная методика трассирования путей первичного транспорта леса 2.2 Оценка процессов деформирования при циклическом уплотнении почвы 2.3 Определение оптимального числа рейсов трелевочной системы по одному следу Глава 3 Методика и аппаратура экспериментальных исследований 3.1 Объекты, приборное обеспечение и условия проведения экспериментальных исследований Глава 4 Результаты экспериментальных исследований 4.1 Получение характеристик изменения плотности почвы от числа проходов трелевочных систем 4.2 Получение корреляционной зависимости между транспортной нагруженностью и уплотнением почвогрунта лесосек 4.3 Результаты обследования вырубок прошлых лет Глава 5 Технологии разработки труднодоступных лесосек 5.1. Технологические процессы основных работ при разработке труднодоступных лесосек 5.2. Канатные трелевочные установки 5.2.1 Уплотнение почво-грунта лесосеки при работе канатной трелевочной установки 5.3. Минитракторы на трелевке леса 6. Оценка экологической эффективности лесосечных работ 6.1. Методика оценки и показатели экологической эффективности работы трелевочных тракторов 6.2. Оценка качества лесоэксплуатации Литература 174

3 5 5 5 17 28 28 36 41 41 48 56 58 58 74 75 87 89 95 96 102 120 123 151 151 159 164

Учебно-научное издание

Григорьев Игорь Владиславович Жукова Антонина Ивановна Григорьева Ольга Ивановна Иванов Александр Викторович

СРЕДОЩАДЯЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ЛЕСОСЕК В УСЛОВИЯХ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО РЕГИОНА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Предназначено для инженерно-технических и научных работников лесного комплекса, студентов специальности 250401 «Лесоинженерное дело», бакалавров и магистров направления 250300 «Технология и оборудование лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств», аспирантов специальности 05.21.01 «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства».

175