Совершенствование транспортного освоения лесосырьевых баз Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 630*383.2

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТРАНСПОРТНОГО ОСВОЕНИЯ ЛЕСОСЫРЬЕВЫХ БАЗ

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры промышленного транспорта,

строительства и геодезии Д. Н. Афоничев аспирант кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии П. С. Рыбников кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии В. А. Морковин ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» dmafonichev@yandex.ru, RibnikovPavelS@yandex.ru

Лесовозные ветки устраивают от магистрали в отдельные участки осваиваемого лесного фонда [1, 2, 3, 4]. Для размещения веток устанавливают ширину зоны тяготения к ветке dВ (в километрах), которая в основном определяется затратами на

строительство, ремонт, содержание и ликвидацию ветки [1, 2, 4, 5]. В работах [1, 2, 5] рекомендуется определять ширину зоны тяготения к ветке по формуле, предложенной профессором Б.А. Ильиным и дополненной другими учеными

dВ = 0,2'

где в - коэффициент, учитывающий прохождения ветки по неэксплуатационным площадям;

^Р - коэффициент, учитывающий затраты на устройство разветвлений и ответвлений;

- коэффициент развития (удлинения) ветки;

Св - удельная стоимость строительства ветки, р./км;

Хв - коэффициент, учитывающий отдаленность затрат на ремонт и содержание ветки;

Вв - удельные затраты на содержание и ремонт ветки, р./км; ^у - коэффициент развития уса; Су - удельная стоимость строительства уса, р./км;

^ - коэффициент, учитывающий дополнительные затраты на содержание уса при его повторном использовании;

Ву - удельные затраты на содержание уса, р./км;

(1)

СМВ - стоимость устройства магистрального волока, р./км; kPм - коэффициент удлинения магистрального волока;

сПП - стоимость устройства погрузочного пункта, р.;

1П - расстояние между погрузочными пунктами, км;

уЛ - ликвидный запас древесины на 1 га, м3/га;

Ьу - удельная стоимость вывозки древесины по усу, р./(м3 • км). Формула (1) предусматривает размещение погрузочных пунктов с двух сторон от уса, а также возможность повторного использования усов.

В современных условиях практикуется сдача лесосырьевой базы в аренду, что требует изменения подхода к размещению веток. Исследования условий размещения лесовозных дорог в арендуемой

сырьевой базе проводились в лесотехнической академии (г. Санкт-Петербург) под руководством профессора Н.А. Тюрина [6], которые позволили усовершенствовать методику расчета параметров транспортной сети в лесу. В работе [2] приведена формула для определения оптимальной ширины зоны тяготения к ветке

dB = 0,2

kPB (ЕОСВ + BB )

f

kpyqc

b +

2fz

\

(2)

"СП J

где Ео - обобщенный показатель эффективности капитальных вложений с учетом нормы амортизационных отчислений;

qc - средний объем рубки с единицы лесной площади, м3/га; b - стоимость подвозки древесины и прочих грузов к ветке, р./(м3 • км); f - средние ежегодные трудовые затраты, отнесенные к 1 м3 лесного сырья, ч/м3;

z - средняя часовая заработная плата рабочих с начислениями, р./ч; ven - средняя скорость передвижения рабочих в лесу, км/ч.

(3)

Ео = EH + 0,01nA,

где ЕН - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; пА - норма амортизационных отчислений, %.

Формула (2) проще, чем формула (1) и учитывает возможность транспортного обслуживания процессов заготовки древесины и лесохозяйственных работ, но требует включать в расчет показатели, определение которых представляет определенную сложность: стоимость подвозки дре-

весины и прочих грузов к ветке, средние ежегодные трудовые затраты, отнесенные к 1 м3 лесного сырья, г - средняя часовая заработная плата рабочих с начислениями, средняя скорость передвижения рабочих в лесу.

В.М. Заложных [3] установил величину смещения ветки по направлению лесного грузопотока по магистрали, обеспечивающую минимум затрат на вывозку лесоматериалов по усам и магистрали. Указанное смещение аВ (в километрах) определяется по формуле

„ = bMdB

UB ~

У

2b

(4)

где Ьм - удельная стоимость вывозки древесины по магистрали, р./(м3-км).

В любом случае размещения ветки, она примыкает к магистрали под оптимальным углом а, определяемым по известной формуле [1, 2, 4, 5]. При вильчатой схеме размещения путей [1, 5, 7] ветки второго порядка примыкают к веткам первого порядка под оптимальным углом а, а ветки первого порядка образуют оптимальный угол с направлением лесного грузопотока.

Недостатком существующих методов установления параметров размещения веток является то, что они не учитывают ограничения площади и ширины лесосек, накладываемые правилами рубок леса в Российской Федерации, возможность примыкания уса к ветке под углом, отличным от прямого. Профессор Д.Н. Афоничев [4, 8] разработал положения расчета параметров размещения лесовозных веток и усов с учетом ограничения площади и ширины

лесосек, который реализуется алгоритмом, описанным в работе [8].

Принято усы размещать перпендикулярно ветке [1, 2, 3, 5]. На рис. 1 стрелками показаны направления грузопотоков по усам, веткам и магистрали. В ближней части зоны тяготения ветки 5 грузопоток по усу 8 направлен противоположно грузопотоку по магистрали 1, а в дальней части зоны тяготения ветки 6 грузопоток по усу 7 направлен в ту же сторону, что и грузопоток по магистрали 1. Из анализа рис. 1 следует, что ветки целесообразно сместить по направлению грузопотока по магистрали, то есть ближняя часть зоны 5 должна быть уже дальней части зоны 6, это предложено в работе [3].

Рис. 1. Схема зоны тяготения лесовозной ветки:

1 - магистраль; 2 - пункт примыкания магистрали; 3 - ветка; 4 - граница зоны тяготения ветки; 5 - ближняя часть зоны тяготения ветки; 6 - дальняя часть зоны тяготения ветки; 7, 8 - лесовозные усы

Так как ветка примыкает к магистрали под углом а, то грузопотоки по усам имеют различную ориентацию по отношению к грузопотоку по ветке. На рис. 2 по-

казаны векторы грузопотоков по магистрали 1, по веткам 2 и по усам 3, 4 соответственно проходящим в ближней и дальней частях зоны тяготения ветки.

Рис. 2. Соотношения направлений грузопотоков: 1 - вектор грузопотока по магистрали;

2 - вектор грузопотока по ветке; 3 и 4 - векторы грузопотоков по усам

Если рассмотреть проекции векторов 2, 3, 4 на направление вектора 1 (рис. 2), то легко заметить, что составляющие вектора 2 направлены к магистрали и пункту ее примыкания, составляющие вектора 3 направлены к магистрали и противоположно ее направлению, а составляющие вектора 4 направлены к ветке и от магистрали. Из рис. 2 следует, что усы в дальней части зоны тяготения ветки необходимо размещать так, что бы они примыкали к ветке под углом равным оптимальному углу примыкания ветки к магистрали, то есть а. В этом случае вектор 4 будет направлен по направлению грузопотока по магистрали.

Основываясь на результатах обоснования угла примыкания лесовозного уса к ветке [9] и анализа научных работ [10]

можно сформулировать способ транспортного освоения лесосырьевых баз, обеспечивающий снижение энергозатрат на вывозку лесоматериалов из лесосек. Предлагаемый способ транспортного освоения лесосырьевых баз осуществляется следующим образом (рис. 3). Прокладывают магистраль 1 от пункта ее примыкания 2 в осваиваемую лесосырьевую базу. Ветки 3 прокладывают в границах своих зон тяготения 4 под оптимальным углом а к магистрали 1 и со смещением а от равновесно-

го положения 5 к пункту примыкания магистрали 2.

Усы 6 в частях 7 зон тяготения веток, расположенных с глубинной стороны осваиваемой лесосырьевой базы, прокладывают к веткам 3 под углом равным оптимальному углу примыкания ветки к магистрали, то есть под углом а, а усы 8 в частях 9 зон тяготения веток, расположенных со стороны пункта примыкания магистрали 2, прокладывают к веткам 3 под прямым углом.

Рис. 3. Схема размещения временных лесовозных автомобильных дорог в зоне тяготения ветки в соответствии с предлагаемым способом транспортного освоения лесосырьевых баз

При вывозке лесоматериалов транспортные средства движутся по магистрали

1 до примыкания ветки 3, далее - по ветке 3 и по усу 6 или 8 через разворотную пет-

лю к погрузочному пункту. После загрузки транспортные средства с лесоматериалами по усу 6 или 8 движутся к ветке 3, по ветке 3 - к магистрали 1 и по магистрали 1 - к пункту ее примыкания 2, где выгружаются лесоматериалы.

Предлагаемый способ транспортного освоения лесосырьевых баз обеспечивает снижение энергоемкости вывозки лесоматериалов из лесосек, он может быть реализован при схемах транспортного освоения лесосырьевых баз: глубинной, с последовательным продвижением в лес, при схемах размещения путей в лесосырьевых базах: вильчатой, в елочку, комбинированной, с двумя расходящимися магистралями.

В ближней части зоны тяготения ветки грузопоток по усам направлен в противоположную сторону от направления грузопотока по магистрали, а поэтому равновесное положение ветки, при котором средневзвешенные расстояния вывозки лесоматериалов по усам, примыкающим к ней с разных сторон, одинаковые, не является оптимальным. Ветку следует сместить в сторону пункта примыкания магистрали (лесного склада) на некоторое расстояние а (по направлению грузопотока по магистрали). Это также предусматривает ранее рассмотренный способ транспортного освоения лесосырьевых баз (рис. 3). Схема размещения ветки в зоне ее тяготения приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема размещения ветки в зоне ее тяготения: 1 - магистраль; 2 - равновесное положение ветки; 3 - положение ветки после смещения; 4 - ближняя часть зоны тяготения ветки; 5 - дальняя часть зоны тяготения ветки

Если ликвидный запас древесины в зоне тяготения ветки составляет Q, то при равновесном положении ветки в каждой части зоны тяготения сосредоточено 0,5 Q м3 древесины, подлежащей вывозке. После смещения ветки ширина дальней части увеличится на величину asina, а ближней наоборот сократится на эту же величину, а соответственно запасы древесины в частях зоны тяготения ветки будут: в дальней части Q (0,5dB + a sin a) / dB, в ближней

части Q (0,5dB - a sin a) / dB , где dB - ширина зоны тяготения ветки, км; a - угол примыкания ветки к магистрали.

При условии, что усы в дальней часа) в дальней части зоны тяготения

ти зоны тяготения ветки примыкают к ней под углом а (расположены параллельно направлению грузопотока по магистрали) длина уса в этой части зоны тяготения ветки составит a+0,5dB/sinа-lK, где 1К - протяженность глубинного участка лесосеки, в которую ус не прокладывается, км. В ближней части ус примыкает к ветке под углом равным 90°, а, следовательно, имеет длину 0,5dB-asina-lK. Допустим, что объем строительства усов принципиально не меняется при смещении ветки, тогда затраты (в рублях) на вывозку лесоматериалов по усам составят:

7 -

уд

kpykcpbyQ (0,5dB + a sin a) |

dB

a + -

0,5dB

- h

sin a

б) в ближней части зоны тяготения

7-

УБ

kpykcpbyQ (0,5dB - a sin a ) (0,5dB - a sin a - lK )

dB

(5)

(6)

где ^у - коэффициент развития (удлинения) уса;

^Р - коэффициент, определяющий среднее расстояние вывозки;

Ьу - удельная стоимость вывозки лесоматериалов по усу, р./(м3 • км).

Оптимальное смещение ветки от равновесного положения по направлению грузопотока по магистрали соответствует минимальным затратам на вывозку древесины по усам, ветке и магистрали. Изменение положения ветки приводит к изменению протяженности усов в частях зоны тяготения, а, следовательно, и среднего расстояния вывозки по усам. Смещение ветки не изменяет ее параметров (длина,

среднее расстояние вывозки, тип покрытия) и параметров зоны тяготения (запас древесины, ширина зоны тяготения), а следовательно величина затрат на вывозку древесины по ветке не изменяется в зависимости от величины ее смещения. Так как ветка не изменяет своих параметров, то изменением затрат на ее строительство и вывозку древесины по ней, связанных с особенностями рельефа местности, грунтовых условий, изменением положений примыканий усов, можно пренебречь.

Положение магистрали не изменяется при принятых условиях размещения ветки, а следовательно затраты на строительство, ремонт и содержание магистрали

остаются прежними, а вот расстояние вывозки по магистрали от рассматриваемой ветки зависит от параметра размещения ветки а и составляет 1М + kРМ (0,5dВ - а),

где 1м - расстояние по магистрали от ее пункта примыкания до ближней границы зоны тяготения ветки, км; £РМ - коэффициент развития (удлинения) магистрали. Таким образом, на основе изложенного можно утверждать, что оптимальное значение параметра смещения ветки а следует обосновывать по минимуму затрат на вывозку по усам и магистрали. Обозначим указанные затраты 2 (в рублях)

2 = 2УД + + 2М ^ min, (7)

^р у^ ^^^^^ ( dв

где 2м - затраты на вывозку древесины по магистрали, р.

2м = ЬМО [1М + КМ (0,5dв - а)], (8)

где Ьм - удельная стоимость вывозки древесины по магистрали, р./(м3-км). Оптимальное значение параметра смещения ветки а соответствует минимуму целевой функции (7), от которой для поиска оптимального значения а надо взять производную по а. Так как функция (7) - аддитивная, то достаточно взять производные от ее составляющих и их сумму приравнять к нулю. Найдем производные от функций частных затрат (5), (6), (8):

'УД da

+ 2аБта - 1К Бта)

dв

d2УБ kРУkСРbУQ(2абш2 а + 1К Бта -dВ Бта)

da

dв

М

da

= kРМbМQ .

(9) (10) (11)

Складываем правые части формул (9)-(11) и приравниваем к нулю. После

преобразования получаем уравнение

kРykСРbyQ(dВ + 2абша + 2а sin2 а - dВ sinа)

dв

Так как dBф0 и Qф0, то уравнение (12)

- Км^ =

можно привести к виду

kРУkСРbУ [ dв (1 -sinа) + 2а+ sinа)]-kpмbмdв = 0 .

(12)

(13)

Решаем уравнение (13) относительно а и получаем оптимальную величину сме-

dT}

а =

2Бта(1 + sinа)

щения ветки

£ Ь

КрмЬм -(1 - ^па)

£ £ Ь

(14)

При а=90° sinа=1, £СР=0,5, £РМ=£РУ зависимость (14) упрощается в формулу (4). Зависимость (14) показывает, что смещение ветки при примыкании уса под углом а в дальней части зоны тяготения бу-

дет больше.

При прокладке усов в частях зон тяготения веток, расположенных с глубинной стороны осваиваемой лесосырьевой базы, под прямым углом к веткам, векторы

грузопотоков по усам и магистрали расходятся под углом равным 90°-а (а- оптимальный угол примыкания ветки к магистрали), в результате чего транспортные средства совершают дополнительный пробег по веткам в одну сторону и за один рейс равный 1у tg(90°-а) (1у- длина уса,

м). При прокладке усов в частях зон тяготения веток, расположенных с глубинной стороны осваиваемой лесосырьевой базы, под углом равным оптимальному углу примыкания ветки к магистрали а , векторы грузопотоков по усам и магистрали будут параллельны, в результате чего дополнительный пробег по веткам в одну сторону и за один рейс будет равен 1уtg0° = 0 .

Если принять, что в зоне тяготения некоторой ветки в ее части, расположенной с глубинной стороны осваиваемой ле-сосырьевой базы, длина усов одинаковая, и при их прокладке под прямым углом к ветке протяженность одного уса составляет 1у, то дополнительный пробег транспортных средств по ветке LВдоп (в километрах), обусловленный расхождением грузопотоков по усам и магистрали, составит

Lвдоn = tg (90°-а), (15)

"■ип^п

где кРВ - коэффициент развития ветки;

Qг - объем вывозки лесоматериалов из части зоны тяготения ветки, расположенной с глубинной стороны осваиваемой лесосырьевой базы, м3; кИП - коэффициент использования полезной нагрузки транспортными

средствами;

QП - полезная нагрузка на транспортное средство (на один рейс), м3. Транспортными средствами при проходе по ветке выполняется дополнительная грузовая работа

Rвдоn = КвШ^ (90°-а), (16) где RBдоп - дополнительная грузовая работа по ветке, обусловленная расхождением грузопотоков по магистрали и усам под углом 90° - а , м • км. Если в зоне тяготения ветки в ее части, расположенной с глубинной стороны осваиваемой лесосырьевой базы, усы прокладываются под углом равным оптимальному углу примыкания ветки к магистрали, то LBдоп=0, RВдоп=0, так как угол между направлениями грузопотоков по усам и магистрали равен 0°. Но протяженность одного уса увеличивается на (1у /sinа- 1у )

или на 1у (1^та-1), что обуславливает

дополнительный пробег по усам LУдоп (в километрах)

^доп

2кСРкРу^Г I 1

кИП&

sina

-1|. (17)

Транспортными средствами при проходе по усам выполняется дополнительная грузовая работа

^удоп kСРkРУlУQ,

1

С^руу^г

sina

-1

(18)

где RУдоn - дополнительная грузовая работа, обусловленная увеличением протяженности усов, м3 • км.

Найдем отношения ^доп/^доп и

^доп/^удоп :

L

'ВДоп

к

РВ

ТУД

( 90°-а);

R

ВДоп

к

РВ

Доп к к

""СР^РУ

sma

-1

Я

^ (90°-а). (19)

Полученные уравнения (19) показывают, что

Т Я

ВДоп _ ВДоп

ТУДоп ЯУДоп

(20)

Оптимальный угол примыкания ветки к магистрали а составляет 50...60°, примем а=55° коэффициенты кРВ, кСР, кРУ равны соответственно 1,15; 0,6; 1,2, тогда

отношения ТВДоп /ТУДоп и ЯВДоп/ЯУДоп получаются равными 5,06. Таким образом, при прокладке усов под прямым углом к ветке в части зоны ее тяготения, расположенной с глубинной стороны осваиваемой лесосырьевой базы, дополнительный пробег транспортных средств по ветке и дополнительная грузовая работа по ветке будут в пять раз больше, чем дополнительный пробег транспортных средств по усам и дополнительная грузовая работа по усам при прокладке усов к ветке под углом равным оптимальному углу примыкания ветки к магистрали. Энергозатраты на вывозку лесоматериалов (расход топлива) прямо пропорциональны пробегу и грузовой работе [11, 12, 13], удельный расход топлива на единицу пробега и единицу грузовой работы для усов выше, чем для веток в 1,5.2 раза [13], а поэтому предлагаемый способ транспортного освоения лесосырь-евых баз обеспечивает снижение энергозатрат на вывозку лесоматериалов в 2,5.3 раза из частей зон тяготения веток, расположенных с глубинной стороны осваиваемой лесосырьевой базы.

УДоп к к

СР РУ

-1

Выводы

1. Предложенный способ транспортного освоения лесосырьевых баз, предусматривающий проложение веток в границах своих зон тяготения под оптимальным углом к магистрали и со смещением от равновесного положения к пункту примыкания магистрали, проложение усов в частях зон тяготения веток, расположенных с глубинной стороны осваиваемой лесо-сырьевой базы, к веткам под углом равным оптимальному углу примыкания ветки к магистрали, проложение усов в частях зон тяготения веток, расположенных со стороны пункта примыкания магистрали, к веткам под прямым углом обеспечивает снижение энергоемкости вывозки лесоматериалов из лесосек, и может быть реализован при схемах транспортного освоения лесосырьевых баз: глубинной, с последовательным продвижением в лес, при схемах размещения путей в лесосырьевых базах: вильчатой, в елочку, комбинированной, с двумя расходящимися магистралями.

2. При прокладке усов под прямым углом к ветке в части зоны ее тяготения, расположенной с глубинной стороны осваиваемой лесосырьевой базы, дополнительный пробег транспортных средств по ветке и дополнительная грузовая работа по ветке в пять раз больше, чем дополнительный пробег транспортных средств по усам и дополнительная грузовая работа по усам при прокладке усов к ветке под углом рав-

1

1

ным оптимальному углу примыкания ветки к магистрали, что подтверждает энергоэффективность предложенного способа транспортного освоения лесосырьевых баз.

Библиографический список

1. Сухопутный транспорт леса / Под ред. В.И. Алябьева. М.: Лесн. пром-сть, 1990. 416 с.

2. Транспорт леса. В 2-х т. Т. 1. Сухопутный транспорт / Под ред. Э.О. Сал-минена. М.: ИЦ «Академия», 2009. 368 с.

3. Заложных В.М. Изыскания лесных дорог. Воронеж: ВГЛТА, 2005. 148 с.

4. Афоничев Д.Н. Оптимизация размещения внутриплощадочных дорог в сырьевых базах лесозаготовительных предприятий // Природопользование: ресурсы, техническое обеспечение: межвуз. сб. научн. тр. / ВГЛТА. Воронеж, 2007. Вып. 3. С. 36-42.

5. Ильин Б.А. Основы размещения лесовозных дорог в сырьевых базах лесозаготовительных предприятий. Л.: ЛТА, 1987. 63 с.

6. Тюрин Н.А. Оптимизация структуры лесотранспортной сети лесозаготовительных предприятий // Сухопутный транспорт леса: Матер. научн.-методич. семинара / С-ПбЛТА. С-Пб., 2007. С. 4046.

7. Афоничев Д.Н., Гусев Д.А. Анализ схем транспортного освоения лесных мас-

сивов. Воронеж: ВГЛТА, 2008. 26 с. Деп. в ВИНИТИ 04.05.2008, № 383-В2008.

8. Афоничев Д.Н. Алгоритм расчета в системе автоматизированного проектирования оптимальных параметров размещения лесовозных веток и усов // Вестник МГУЛа - Лесной вестник. 2010. № 5. С. 82-86.

9. Афоничев Д.Н., Рыбников П.С. Обоснование углов примыкания лесовозных усов к веткам // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. 2012. № 03(77). 11 с. Режим доступа: http//ej.kubagro.ru/2012/03/pdf/13.pdf.

10. Рыбников П.С. Размещение временных автомобильных дорог в лесосеках // Лесотехнический журнал / ВГЛТА. 2011. № 3. С. 88-98.

11. Драпалюк М.В., Афоничев Д.Н. Модель управления поставками горюче-смазоч-ных материалов автотранспортными средствами // Программные продукты и системы. 2009. № 3. С. 114-116.

12. Драпалюк М.В., Афоничев Д.Н. Алгоритм управления поставками горючесмазочных материалов // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. 2011. № 10(74). 10 с. Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2011/10/pdf/25.pdf.

13. Рыбников П.С. Дифференцированный расчет себестоимости автомобильной вывозки древесины. Воронеж: ВГЛТА, 2011. 20 с. Деп. в ВИНИТИ 20.07.2011, № 352-В2011.