CC BY
8
ТЕХНОЛОГИЯ ЗАГОТОВКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ДРЕВЕСИНЫ
УДК 630.323
Хвойные бореальной зоны. 2018. Т. XXXVI, № 4. С. 338-343
РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕХНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПАСЕКИ ДЛЯ МАНИПУЛЯТОРНЫХ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН
Ю. Н. Безгина, Э. Ф. Герц, С. В. Залесов, Н. Н. Теринов, А. Ф. Уразова
Уральский государственный лесотехнический университет Российская Федерация, 620100, Екатеринбург, Сибирский тракт, 37 E-mail: gerz.e@mail.ru
Эффективная и качественная работа лесозаготовительных машин предполагает максимальную производительность при соблюдении качества выполнения работ определяемых, в первую очередь, соблюдением лесо-водственных ограничений.
В приведенном материале обоснованы такие технологические параметры как расстояние переезда лесозаготовительной машины между рабочими стоянками и шириной пасеки обеспечивающие максимальную площадь, обрабатываемую с одной стоянки, и, соответственно, максимальную производительность при прочих равных условиях.
В качестве критерия качестве выполнения выборочных рубок в спелых и перестойных древостоях и рубок ухода предложена возможность заготовки всех деревьев назначенных в рубку при минимальных повреждениях элементов биогеоценоза формируемого рубками древостоя. Возможность заготовки деревьев в свою очередь оценивается возможностью беспрепятственного их захвата манипулятором и выноса к месту укладки.
Показано, что сокращение расстояния между рабочими стоянками и как результат досягаемость дерева для манипулятора с нескольких стоянок повышает возможность его беспрепятственной заготовки. Уменьшение ширины пасеки исключающее зоны однократной доступности дополнительно повышает среднюю доступность.
При выполнении рубок ухода харвестером показана целесообразность разрубки на стоянке технологических коридоров и его расположение к волоку обеспечивающее максимальную вероятность беспрепятственной заготовки деревьев на полупасеках.
Ключевые слова: лесосечные работы, выборочные рубки, рубки ухода, манипуляторные лесозаготовительные машины.
Conifers of the boreal area. 2018, Vol. XXXVI, No. 4, P. 338-343
RATIONAL PARAMETERS OF TECHNICAL ELEMENTS THE APIARY FOR MANIPULATOR FORESTRY MACHINES
Yu. N. Bezgina, E. F. Hertz, S. V. Zalesov, N. N. Terinov, A. F. Urazova
Ural State Forest Engineering University 37, Siberian Tract Str., Yekaterinburg, 620100, Russian Federation E-mail: gerz.e@mail.ru
Efficient and high-quality work of logging machines assumes maximum productivity while respecting the quality of work performance determined by taking into account compliance with silvicultural restrictions.
In this material, some technological parameters are justified as the distance of a forest machine moving between work stations and the apiary width providing the maximum area processed from one parking lot and, accordingly, the maximum performance with all other conditions being equal.
As a criterion as to perform selective cutting ripe and over-thinning stands and offered the opportunity to preform all trees designated cutting with minimal damage biogeocoenose elements formed cutting stand. The possibility of harvesting trees, in turn, is estimated by the possibility of their unimpeded capture by the manipulator of the logging machine and the removal to the place of laying.
It is shown that with a reduction in the distance between work stations, the reach of a tree for a manipulator from several sites increases and the possibility of its unobstructed workpiece. Reducing the width apiary precluding accessibility single zone further increases the average availability.
When performing thinning harvester shown expediency cutting parked technology corridors and its location to a die providing the maximum probability unobstructed workpiece trees on half apiary.
Keywords: logging work, selective logging, thinning, manipulator logging machines.
ВВЕДЕНИЕ
Лесозаготовительные предприятия в современных условиях наряду с задачей повышения экономической эффективности технологии должны работать над совершенствованием экологических (лесоводственных) и социальных требований предъявляемых обществом. Основной тренд технического перевооружения отрасли определяется переходом к машинным технологиям, что решает ряд социальных проблем. Поиск вариантов совершенствования технологии работы манипуляторных лесозаготовительных машин (ЛЗМ) отечественными учеными не прекращается и в XXI веке. Рассматриваются варианты комплектации валочно-пакетирующих машин оснащенных накопительным устройством и уравновешивающим противовесом, варианты автоматизированной поддержки принятых решений [1; 2]. Для повышения качества отбора деревьев в рубку оператором машины рекомендуется сегментировать рабочую зоны на участки с 3-5 деревьями [3-5]. Отдельное внимание уделяется формированию пака лесосечных машин и анализу возможного негативного воздействия на все элементы биогеоценоза, исследованию и режимами рубок и особенностями организационно-технических элементов [6-11].
Однако переход к машинной заготовке древесины требует поиска решений ряда задач для создания приемлемых по лесоводственным требованиям технологий выборочных рубок в спелых и перестойных дре-востоях и рубок ухода низкой интенсивности. Важнейшей задачей, решение которой требуется в данном случае, является возможность разрубки пасек шириной достаточной для обеспечения лесоводственных требований.
Досягаемость и доступность дерева при этом характеризуют возможность заготовки дерева, а возможность выноса или валки этого дерева дополнительно определяют степень риска повреждения деревьев оставляемых на доращивание. Таким образом, понятие беспрепятственной заготовки дерева при селективных рубках включает вероятность его заготовки и без повреждения деревьев оставляемых на дора-щивание.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Досягаемость дерева со стоянки определяется взаимным положением дерева и лесозаготовительной машины (ЛЗМ), а также вылетом манипулятора. Максимальная ширина пасеки досягаемость всей площади, которой досягаемо для манипулятора ЛЗМ, при условии шахматного расположения стоянок.
При работе ЛЗМ на рабочей стоянке происходит перекрытие рабочих зон расположенных последовательно на пасеке, а также и на смежных пасеках. Величина перекрытия последовательно расположенных рабочих зон на пасеке определяется расстоянием переезда между стоянками (X), а для рабочих зон расположенных на смежных пасеках - их шириной (В), ко-
торые в свою очередь зависят от максимального вылета манипулятора и взаимного расположения стоянок на смежных пасеках. Наиболее благоприятное сочетание рабочих стоянок на смежных пасеках с шахматным их расположением. Ширина пасеки при этом составляет
B < R +J R2 - L
(1)
Вместе с тем возможность переезда ЛЗМ в насаждении при отсутствии подготовленного волока определяется ее параметрами и особенностями насаждения и в общем случае составляет
L = R + r +1,
(2)
где г - минимальный вылет манипулятора, м; ^ -
дополнительное расстояние переезда, за счет пустот (промежутков) между деревьями.
Размеры промежутков между деревьями определяется не только густотой насаждения, но и типом размещения деревьев, которых в пространственной геоботанике принято выделять три: групповой, случайный и регулярный. Возможность ЛЗМ по дополнительному увеличению расстояния переезда за счет использования этих пустот определяется в ее шириной и густотой насаждения. Вероятность дополнительного переезда ЛЗМ при случайном типе размещения деревьев, наиболее характерном для спелых насаждений естественного происхождения составит
P(l ) = e~-dblSd,
(3)
где е - основание натурального логарифма; Ь - ширина ЛЗМ, м; - густота насаждения, м2 /дер.
При реализации всех видов выборочных рубок с селективным изреживанием древостоя манипулятор-ными ЛЗМ при расчете ширины пасеки необходимо учитывать доступность деревьев отведенных в рубку. Под «доступностью» здесь понимается возможность беспрепятственной доставки захватно-срезающего устройства (ЗСУ) к дереву подлежащему валке. Принято рассматривать однократную (с одной стоянки) и многократную (с нескольких стоянок) доступность дерева. Понятие кратности соотносится при этом не только с деревом, но и с определенными областями на пасеке, для каждой из которых кратность обработки деревьев есть величина постоянная. Очевидно, что кратность обработки отдельных областей изменяется от единицы до максимального значения в случае, если вся площадь пасеки досягаема для ЗСУ. Последнее выполняется при условии расчета ширины пасеки с учетом расстояния переезда ЛЗМ между стоянками. Области пасеки с максимальными значениями кратности обработки примыкают непосредственно к волоку. На рис. 1 максимальная кратность обработки на пасеке составляет пять, то есть дерево может быть заготовлено с одной из пяти рабочих стоянок.
Рис. 1. Расчетная схема для определения доступности при максимальной кратности обработки, равной пяти
Доступность Рп (однократная) деревьев с различных стоянок (п - номер стоянки по рис. 1) определяется по формуле
Рп = е
_ -Ь+дср У(Хп —х)2 + у2с/^
(4)
где Ък - ширина просвета необходимого для доставки
ЗСУ к дереву, м; хп - абсцисса стоянки с номером п, м; С - коэффициент, учитывающий увеличение доступности за счет волока,
С = 1 - Ъъ/2 у.
Определение многократной доступности как вероятности появления совместных независимых событий неточно, поскольку при этом не учитывается перекрытие коридоров необходимых для доставки ЗСУ к дереву с различных стоянок, а значит, рассчитанная таким образом доступность дерева будет завышенной.
Величина перекрытия коридоров необходимых для доставки ЗСУ к дереву со стоянок составит
5, = Ъ2/ 4^(ф /2),
(5)
со
где ф - угол между направлениями на дерево смежных стоянок ЛЗМ; ] - кратность перекрытия.
С учетом того, что общая площадь коридора необходимого для беспрепятственной доставки ЗСУ к дереву включает в себя участки различной кратности перекрытия, многократная доступность дерева, рассчитанная как условное событие, составит
Р(п) = Р(Бп )
п ( п—1
1—П 1—П р(5)
1=1 V 1=1
(6)
средней доступности на пасеке не может быть ниже 0,9 без учета оставления не вырубленными деревьев отведенных в рубку по другим причинам.
Средняя доступность на площадке ABCD и на пасеке в целом может быть определена с использованием теоремы о среднем: двойной интеграл равен произведению среднего значения подынтегральной функции на площадь области интегрирования. Подынтегральной функцией в данном случае является функция доступности
к
^т
Р(к) =
I +12 +... + 4 __
(V — Б/2)а/2 а(2¥ — ПУ
(7)
где V - ширина пасеки, м; П - ширина волока, м; /т - двойной интеграл функции вероятности в области интегрирования, соответствующий кратности обработки к.
х2 у 2
1т = | дх | Рп (х, у)ду. (8)
х1 у1
Пределы интегрирования х1, х2, >>1, >>2 определяются по расчетной схеме (рис. 1).
Максимальная кратность обработки пасеки на пасеке рассчитывается по формуле
к
= V 4Я2 —
П2 / а.
(9)
Наряду с доступностью отдельного дерева используется понятие средней доступности деревьев на пасеке, которая ограничивается существующими лесо-хозяйственными требованиями при машинных рубках ухода. Допускается оставлять не вырубленными до 10 % от намеченных к удалению из древостоя деревьев. Следовательно, минимально допустимый уровень
Технологический процесс современных одноза-хватных валочно-сучкорезно-раскряжевочных машин (харвестеров) предусматривает после спиливания дерева и, если конструкция манипулятора позволяет, его вынос в вертикальном положении к месту укладки для последующей обрезки сучьев и раскряжевки. Вынос дерева из насаждения к месту его укладки или выполнения других технологических операций, в условиях исключения повреждения деревьев оставляемых на доращивание, предполагает наличие достаточного просвета. Укладка дерева или его валка не на волок также ограничивается наличием площадок
3
2
4
5
х
необходимых размеров между деревьями, оставляемыми на доращивание. Выполнение операций обрезка сучьев и раскряжевка нескольких деревьев в одной позиции позволит обосновать контуры рабочей зоны, максимально обеспечивающие сохранность деревьев оставляемых на доращивание, и обеспечить достаточную доступность вырубаемых деревьев при селективных их выборке. Технологический коридор для укладки и последующей обработки дерева разрубается в первую очередь. Предлагаемые контуры рабочей зоны харвестера и элементов ее составляющих пока-
заны на рис. 2.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Расчетная площадка ABCD выделенная на рис. 1 является повторяющейся для пасеки и рассчитанная для нее вероятность может быть распространена на площадь всей пасеки. На рис. 3 представлена поверхность распределения доступности деревьев на площадке ABCD при густоте древостоя 1000 дер/га.
Рис. 2. Элементы рабочей зоны харвестера:
К - коридор; В - волок; 1, 2 - зоны одно- и двукратной обработки
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
A
*■ х
C
8
7 ~ B
Рис. 3. Доступность деревьев для ЗСУ ЛЗМ манипуляторного типа на характерном участке пасеки:
1, 2, 3, 4, 5 - кратность обработки участка
Средняя доступность для площадки ABCD рассчитанная по предложенной методике составляет для приведенного примера 0,87, что даже без учета влияния других факторов не удовлетворяет действующим лесоводственным требованиям. Достаточный уровень средней доступности деревьев на пасеке может быть достигнут ограничением ширины пасеки по условию доступности деревьев отведенных в рубку, значит по возможности их вырубки или не оставления на пасеке. Так, уменьшение ширины пасеки в примере на 0,5 м (до 7,5 м) ведет к увеличению средней доступности до 0,90 за счет исключения зон однократной доступности и сокращения на 50 % зон двукратной доступности. Минимальная доступность в рассматриваемой зоне в этом случае составит 0,78.
При выполнении рубок ухода харвестером предварительная разрубка технологического коридора на стоянке увеличивает вероятность беспрепятственного выноса деревьев подлежащих рубке в зонах однократной и двукратной обработки (см. рис. 2), а также создает условия для беспрепятственной укладки всех деревьев заготовленных со стоянки, предшествующей их последующей обработке. Направление тыльной
границы коридора под углом 8= агссов-^- обеспечи-
2Л
вает максимально возможную вероятность беспрепятственной заготовки деревьев в зоне однократной обработки своим основанием граничащая с коридором используемым для укладки вырубленных деревьев и их последующей обработки. В зоне двукратной обработки вероятность беспрепятственной заготовки деревьев также возрастает за счет коридора. Расчеты показали, что при прочих равных условиях наличие коридора увеличивает среднюю вероятность беспрепятственной заготовки деревьев на полупасеках на 28 %.
ВЫВОДЫ
При сплошных рубках такие технологические параметры расстояние переезда между рабочими стоянками и ширина пасеки, разрабатываемая манипуля-торной лесозаготовительной машиной, должны определяться из условия максимума рабочей площади.
При выборочных селективных рубках расстояние переезда между рабочими стоянками должно устанавливаться с учетом достижения кратности обработки обеспечивающей необходимую доступность деревьев назначенных в рубку. Ширина пасеки может быть при этом сокращении за счет участков однократной и двукратной обработки.
Для однозахватных валочно-сучкорезно-раскряже-вочных машин на рабочей стоянке рекомендуется разрубка технологических коридоров для укладки и последующей обработки вырубаемых деревьев под
к а
углом 8 = атасов—, что увеличит среднюю вероят-2Л
ность беспрепятственной заготовки деревьев на полупасеках на 28 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Тихонов И. И., Якушева Т. В. Выборочные рубки, проблемы и варианты решений // Лесной журнал.
2016. № 2 (350). С. 9-18.
2. Ширнин Ю. А., Стешина Л. А., Танрывердиев И. О. Автоматизация отбора деревьев при выборочных рубках леса // Вестник Моск. гос. ун-та леса - лесной вестник. 2014. Т. 18, № S2. С. 19-23.
3. Дербин В. М., Дербин М. В Сортиментная заготовка древесины при выборочных рубках // Лесной журнал. 2016. № 5 (353). С. 123-131.
4. Лаптев А. В. Технологические схемы разработки лесосек при выполнении выборочных рубок с использованием многооперационных машин манипуля-торного типа // Вестник Моск. гос. ун-та леса - лесной вестник. 2014. Т. 18, № S2. С. 62-69.
5. Герц Э. Ф., Безгина Ю. Н., Иванов В. В., Крюк В. И. Вероятность заготовки деревьев при выборочных рубках манипуляторной машиной // Леса России и хозяйство в них. 2014. № 2 (49). С. 40-42.
6. Петровский В. С., Малышев В. В. Разработка и исследование систем управления режимами рубок ухода за лесом // Лесной журнал. 2017. № 5 (341). С. 123-131.
7. Запруднов В. И., Карпачев С. П., Быковский М. А. Технологии и технические средства процессов лесосечных работ // Лесной вестник (Forestry Bulletin).
2017. Т. 21, № 1. С. 108-117.
8. Обыдёнников В. И., Ломов В. Д., Волков С. Н. Особенности организационно-технических элементов лесотехнических систем // Вестник Моск. гос. ун-та леса - лесной вестник. 2016. Т. 20, № 5. С. 38-44.
9. Мехренцев А. В., Герц Э. Ф., Новоселова А. В., Глазырин В. В. Природощадящие технологии заготовки древесины // Лесная промышленность. 2000. № 2. С. 24-25.
10. Азаренок В. А., Герц Э. Ф., Силуков Ю. Д. Алгоритм выбора технологии и системы машин для выполнения рубок // Аграрный вестник Урала. 2012. № 1 (93). С. 35-36.
11. Герц Э. Ф., Мехренцев А. В., Якимович С. Б. Сравнительная оценка эффективности технологических схем работы систем машин «харвестер-форвардер» по критериям площади технологических коридоров и производительности // Вестник Моск. гос. ун-та леса - лесной вестник. 2012. № 4. С. 63-67.
REFERENCES
1. Tikhonov I. I., Yakusheva T. V. Selective logging, problems and solutions // Forest Journal. 2016, № 2 (350), P. 9-18.
2. Shirnin Yu. A., Steshina L. A., Tanryverdiev I. O. Automation of tree selection during selective logging // Bulletin of Moscow State Forest University - forest bulletin. 2014, Vol. 18, №. S2, P. 19-23.
3. Derbin V. M., Derbin M. V. Assortment wood harvesting during selective logging // Forest journal. 2016, № 5 (353), P. 123-131.
4. Laptev A. V. Technological schemes of cutting area development when performing selective logging using multi-operation manipulator-type machines // Bulletin of
Moscow State University of Forest - Forest Bulletin. 2014, Vol. 18, No. S2, P. 62-69.
5. Hertz E. F., Bezgina Yu. N., Ivanov V. V., Kryuk V. I. Probability of tree harvesting during selective logging with a manipulator machine, Russian Forests and farming in them. 2014, № 2 (49), P. 40-42.
6. Petrovsky V. S., Malyshev V. V. Development and study of control systems for regimes of thinning of forest care // Forest Journal. 2014, No. 5 (341), P. 123-131.
7. Zaprudnov V. I., Karpachev S. P., Bykovsky M. A. Technologies and technical means of logging processes // Lesnoy Vestnik. Forestry Bulletin. 2017. Vol. 21. No. 1, P. 108-117.
8. Obydennikov V. I., Lomov V. D., Volkov S. N. Features of organizational and technical elements of forestry systems // Bulletin of Moscow State University of Forest - Forest Bulletin. 2016. Vol. 20, No. 5, P. 38-44.
9. Mehrentsev A. V., Hertz E. F., Novoselova A. V., Glazyrin V. V. Environmentally friendly wood harvesting technology // Forest industry. 2000, No. 2, P. 24-25.
XBOHHtie 6opeantHoft 30HLI. XXXVI, № 4, 2018
10. Azarenok V. A., Hertz E. F., Silukov Yu. D. Algorithm of choice of technology and system of machines for performing logging // Agrarian Bulletin of the Urals. 2012. No. 1 (93), P. 35-36.
11. Hertz E. F., Mehrentsev A. V., Yakimovich S. B. Comparative evaluation of technological schemes of working machine systems "harvester-forwarder" according to the criteria area of technological corridors and productivity // Bulletin of Moscow State Forest University - Forest Bulletin. 2012. № 4. P. 63-67.
© Ee3raHa to. H., Герц Э. 3a^ecoB C. B., TepnHOB H. H., ypa30Ba A. 2018
nocTynma B pegaKunro 28.06.2018 npHHaTa k nenaTH 31.08.2018
