Исследование взаимосвязи технологической проходимости лесозаготовительных машин с параметрами лесной среды
Аннотация
Для оценки эффективности лесозаготовительных машин предложен коэффициент технологической проходимости. Коэффициент отражает техническую проходимость и технологическую проходимость транспортных машин на лесозаготовках в условиях снижения качества поверхности волока. Методика позволяет определить объем лесосечных отходов, необходимый для строительства волоков. При расчете учитывается имеющийся объем лесосечных отходов. Ресурсы лесосечных отходов рассчитываются в зависимости от типа леса и длины волоков. Методика позволяет выбирать оптимальную систему машин для работы в данных природно-производственных условиях или планировать потери производительности из-за снижения несущей способности волоков.
Ключевые слова: Проходимость, коэффициент технологической проходимости, лесозаготовительные машины, несущая способность грунтов, волок, типы леса, лесосечные отходы
05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства
Серьезную проблему для лесозаготовителей представляют лесосеки с грунтами 3 и 4–ой категории, на которых существенно снижается эффективность применения колесных и гусеничных тракторов. Повысить производительность лесотранспортных машин можно путем активного повышения проходимости за счет управления несущей способностью путей первичного транспорта леса. В свою очередь, ресурсы для повышения несущей способности путей ограничиваются возможностями древостоя, биологическая продуктивность которого определяется режимом увлажнения и рельефом местности, то есть категорией местности. Проходимость рассматриваем, как способность лесозаготовительной машины совершать технологическую работу без нарушения (в допустимых пределах) плодородия лесной почвы и возможностью преодоления различных препятствий (пней, валунов, валежника) [1, 2, 3].
В работах Г. М. Анисимова, В. Ф. Бабкова, В. Н. Шитова и других специалистов [1-3], [7-9] приведены зависимости проходимости гусеничных и колесных машин в меняющихся грунтовых условиях. Здесь проходимость машин первичного транспорта леса определяется коэффициентами: сопротивления качению, сопротивления от уклона, сцепления и буксования, а также удельным давлением на грунт и несущей способностью грунта. В основном исследователи уделяли внимание технической проходимости, т. е. способности лесозаготовительных и лесотранспортных машин передвигаться по лесосеке с определенной силой тяги [10]. Однако эти зависимости не позволяют оценить влияние на производительность лесных машин.
Таким образом, необходимо выбрать и обосновать критерий, позволяющий связать техническую проходимость с производительностью лесных машин. Для этого предлагаем ввести показатель, характеризующий соотношение производительностей лесотранспортных машин в идеальных и реальных природно-производственных условиях – коэффициент технологической проходимости (Ктп) 
[6, 10]. Предлагаемый коэффициент технологической проходимости включает в себя как чисто техническую сторону процесса, так и технолого-экономическую – производительность и себестоимость производства. Математическое представление коэффициента технологической проходимости:
(1)
где Псмт и Псмэ – сменные производительности машин при движении по реальному и идеальному участку пути соответственно, м3/смену; gm и gэ – расход топлива при движении по тем же участкам, л(т)/км (м3 или ч).
В работе [10] отмечается, что в идеальных условиях эксплуатации трелевка осуществляется по кратчайшему пути. Среднее расстояние трелевки в трудных условиях эксплуатации, как правило, больше расстояниятрелевки в благоприятных условиях. Это связано с необходимостью объезда заболоченных участков, участков с низкой несущей способностью грунтов и сильно пересеченным рельефом. В реальных условиях эксплуатации лесотранспортная машина движется по местности с различными типами почво-грунтов. На тяжелых участках эксплуатации возникает буксование движителя и застревание машины – техническая проходимость машины снижается, для ее восстановления необходимо снизить нагрузку на рейс, соответственно меняется и значение коэффициента технологической проходимости. При этом в идеальных условиях объем транспортируемой пачки ограничен вместимостью накопительного устройства – коника, пачкового захвата, объемом кузова, а также количеством чокеров.
Анализ работы форвардера John Deere 1110 D в условиях ЗАО «Шуялес» (Республика Карелия) [10] показал изменение величины коэффициента технологической проходимости в зависимости от степени осложнения движения. Соответственно, при работе трелевочного трактора в эталонных, осложненных и трудных условиях наблюдалось уменьшение величины коэффициента технологической проходимости, что дает возможность анализа эффективности лесотранспортных машин с помощью этого параметра. В перспективе это позволит на основе прогнозирования коэффициента технологической проходимости выбрать оптимальный комплект лесотранспортных машин, отвечающий локальным требованиям природно-производственных условий работы.
Во избежание снижения производительности лесотранспортных машин из-за потери проходимости и увеличения затрат времени на буксование и вытаскивание застрявших лесных машин, возникает необходимость укрепления путей первичного транспорта леса древесными материалами, образующимися на лесосеке в ходе лесозаготовок. Укрепление волоков целесообразно при работе в условиях заболоченной местности (на участках с грунтами 3 и 4–ой категории) и при необходимости сохранить подрост (выборочные рубки и рубки ухода). Использование лесосечных отходов в качестве дорожной одежды позволит более рационально использовать биомассу дерева и снизить затраты на обустройство путей первичного транспорта леса.
Таким образом, необходимо исследовать процесс взаимодействия хворостяной подушки и почво-грунта при эксплуатации транспортных путей лесосеки, определить объем лесосечных отходов, необходимый для строительства волоков, с учетом имеющегося их объема, ограничиваемого типом леса и условиями его произрастания. При расчетах необходимо учитывать характеристики места лесопроизрастания (тип почвы, ее увлажнение), которые задают потребительские параметры древостоя – объем древесины и кроны, численность древостоя и т.д.
Задача исследования состоит в следующем: определении взаимосвязи между параметрами древостоя, условиями его местопроизрастания и характеристиками транспортной сети лесосеки.
На основе анализа данных, полученных в результате исследований [4, 5], построен ряд зависимостей концентрации лесосечных отходов на волоке в зависимости от коэффициента возврата несущей способности волока. Эти зависимости позволяют выработать рекомендации по поддержанию несущей способности волока, связанной с количеством проходов транспортного агрегата.
Коэффициент возврата несущей способности волока определен следующим образом: исходный уровень несущей способности принят за 1, после 10 проходов (установлено в результате экспериментов [4, 5]) – 0. Для возврата к уровню 0,2 (коэффициент снижения несущей способности составит 0,8) на волок необходимо уложить лесосечные отходы с концентрацией 0,02 м3/м2, чтобы повысить уровень несущей способности до 0,8 (коэффициент снижения несущей способности составит 0,2) необходима концентрация 0,06 м3/м2. Таким образом, мы получили зависимость несущей способности волока от необходимой концентрации лесосечных отходов на нем.
Используя найденную зависимость несущей способности от необходимых объемов лесосечных отходов, определенных в работе [4], рассчитаем площадь лесосеки, которая обеспечит расчетный объем лесосечных отходов с учетом типа леса и условий его произрастания и уровня возврата несущей способности.
Для 1-го типа местности (супесь) с относительной влажностью грунта менее 0,75 для стабильного движения гусеничных машин необходима концентрация лесосечных отходов – 0,0325 м3/м2 [4]. Потенциальная средняя концентрация лесосечных отходов, в условиях соснового древостоя (сосняк-кисличник), возрастом 90 лет, составит 0,0015 м3/м2. Таким образом, для покрытия одного квадратного метра площади волока требуется 21,67 м2 площади исходного древостоя, что соответствует ширине пасеки 20 метров и требуемой длине сбора лесосечных отходов– 1,1 метра. При размерах волока 100х4 м, их полное укрепление возможно на протяжении 25 м, следовательно, усилены будут только наиболее влажные или нагруженные участки. Для колесных машин необходимая концентрация лесосечных отходов составит 0,0775 м3/м2, лесосечных отходов хватит на 12,5 % протяженности волока.
Графики, позволяющие оценить протяженность волока, на которой возможно его укрепление лесосечными отходами, приведены на рис. 1.
Рис. 1 Концентрация лесосечных отходов на волоках в зависимости от несущей способности волока и типа леса
Из графиков видно, что практически ни в одном из древостоев не будет обеспечено исходное состояние несущей способности на всем протяжении лесотранспортных путей лесосеки. Только в сосняках-черничниках укрепление волока возможно на длине 97-130 м (гусеничные машины). Колесные машины оказывают более сильное влияние на волок и при числе проходов более 10, исходная несущая способность не будет достигнута никогда.
Полученные результаты позволяют разделять лесосеку на зоны летней и зимней разработки или оценивать потери производительности из-за разрушения волоков. Результаты исследования рекомендуются для проектирования транспортной сети лесосеки на лесотипологической основе. Параметры определенной количественной взаимосвязи между несущей способностью волока, типом леса и нагрузкой лесозаготовительной машины, позволяют формировать системы пасек и волоков, с минимальным воздействием на экологическую среду лесозаготовительной техники.
Литература
1.Анисимов Г. М. Основы минимизации уплотнения почвы трелевочными системами: Научное издание / Г. М. Анисимов, Б. М. Большаков. СПб.: ЛТА, 1998. 108 с.
2.Бабков В. Ф. Проходимость колесных машин по грунту / Бабков В. Ф., Бируля А. К., Сиденко В. М. М.: Автотрансиздат, 1959. 208 с.
3.Виногоров Г. К. Некоторые лесоэксплутационные характеристики почвенно-грунтовых условий и рельефа / Вопросы технологии и механизации лесосечных работ. Труды ЦНИИМЭ. Химки: ЦНИИМЭ, 1982. С. 5-7.
4.Галактионов О. Н., Кузнецов А. В. Формирование структуры лесотранспортных путей лесосеки на лесотипологической основе / ISSN 1998-1643. Ученые записки Петрозаводского государственного университета. № 8 (121). Петрозаводск: ПетрГУ, 2011. C. 81-84.
5.Галактионов, О. Н. Обоснование рационального технологического процесса лесозаготовок с минимальными потерями древесной зелени: дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. 05.21.01 / О. Н. Галактионов. СПб., 2001. 184 с.
6.Кузнецов А. В. Обоснование технологических решений, повышающих эффективность операции первичного транспорта леса: дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. 05.21.01 / А. В. Кузнецов. Петрозаводск. 2003. С. 31 – 36.
7.Прохоров В. Б. Эксплуатация машин в лесозаготовительной промышленности / В. Б. Прохоров. М.: Лесная промышленность, 1978. 304 с.
8.Шитов В. Н. Экспериментальная проверка проходимости трелевочно-транспортных систем / Вопросы механизации лесосечных работ. Труды ЦНИИМЭ. Химки: ЦНИИМЭ, 1966. С. 123-139.
9.Шеховцов Д. И. Оценка проходимости трелевочных тракторов / Исследования лесопромышленных тракторов. Труды ЦНИИМЭ. Химки: ЦНИИМЭ, 1982. С. 14-15.
10.Шегельман И. Р., Скрыпник В. И., Кузнецов А. В. Анализ показателей работы и оценка эффективности лесозаготовительных машин в различных природно-производственных условиях / ISSN 1998-1643. Ученые записки Петрозаводского государственного университета. № 4. Петрозаводск: ПетрГУ, 2010. C. 66-75.