CC BY
72
К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ЛЕСОСЕЧНЫХ ОТХОДОВ НА ЛЕСОСЕКАХ
М.А. ПИСКУНОВ, доц. каф. технологии и оборудования лесного комплекса Петрозаводского ГУ, канд. техн. наук
В процессе заготовки стволовой древесины на лесосеках образуется большое количество древесных отходов (свыше 20 % от общего объема заготовок). Древесные отходы являются потенциальным ресурсом для производства биотоплива и требуют развития специальных технологий и оборудования [1,
4]. Для выполнения операций сбора, подготовки к утилизации, выполнения техникоэкономических обоснований использования древесных отходов в качестве биотоплива необходимы данные о процессах образования древесных отходов на вырубках. В качестве основных характеристик выступают характеристики пространственного расположения древесных отходов на лесосеках после заготовки стволовой древесины: площадь, где формируется основной объем отходов, плотность отходов в местах скопления.
На процессы образования древесных отходов влияют различные факторы: таксационные показатели древостоя, вид рубок, но в качестве важнейшей группы факторов, влияющих на закономерности образования древесных отходов, выступают системы машин и последовательность основных технологических операций, а также ряд технологических и организационных решений при основном лесозаготовительном процессе - заготовке стволовой древесины. В частности, в работе [2] представлены результаты исследований по определению количества скоплений лесосечных отходов после заготовки леса с помощью харвестера, определялись особенности образования отходов. На лесозаготовительных предприятиях Северо-Западного федерального округа России применяются различные системы машин, для каждой системы машин характер образования лесосечных отходов обладает своими особенностями. Эти особенности будут определять технико-экономические характеристики последующих тех-
piskunov_mp@list.ru
нологий заготовки и первичной переработки самих лесосечных отходов.
В ходе исследований, проведенных на лесозаготовительных предприятиях Республики Карелия и Вологодской области, были выделены основные технические характеристики образования лесосечных отходов:
1) Места преимущественного расположения древесных отходов (места, где объем скапливающихся отходов составляет не менее 90 % от общего объема отходов); 2) Средняя плотность отходов на один квадратный метр площади (м3/м2). Для второй характеристики рассматривается не вся площадь лесосеки, а только площадь мест скопления отходов.
Для оценки характеристик образования лесосечных отходов использовались известные методы: метод линейных пересечений - при небольшой концентрации лесосечных отходов на единицу площади [3]; метод закладки пробных площадок - выбирались площадки размером 1Ч1 м, собирались все отходы с этих площадок и взвешивались. При крупной концентрации в виде куч больших размеров осуществлялся замер куч: измерялась высота, ширина и длина куч. Высота кучи измерялась в разных местах, в зависимости от длины кучи выполнялось от 5 до 12 измерений высоты. Все данные обрабатывались методами математической статистики, определялись средние показатели концентрации на единицу площади лесосеки. Так как на общее количество древесных отходов существенное влияние оказывают лесотаксационные характеристики лесосеки, в этой связи для сравнения влияния на закономерности образования только системы машин и последовательности операций характеристика средняя плотность, определялась в условных единицах.
В качестве 1 условной единицы было принято значение плотности при бессистем-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
117
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС
ном образовании отходов. Бессистемное образование отходов - это образование отходов, когда весь объем лесосечных отходов равномерно распределен по всей площади лесосеки с одинаковой плотностью. Средняя плотность отходов по исследованным системам машин определялась относительно плотности при бессистемном образовании отходов. Полученные данные по различным лесосекам были обработаны и представлены в виде модели пространственного размещения отходов с помощью геоинформационной системы (ГИС) MapInfo.
Были проведены экспериментальные исследования процессов образования древесных отходов для различных систем машин при различных последовательностях основных технологических операций. Все схемы были исследованы на предприятиях, которые не занимаются вопросами переработки древесных отходов, поэтому в процессе заготовки не обращается внимания на то, как образуются отходы и удобно ли они расположены в целях дальнейшей заготовки. Были исследованы следующие системы машин: 1. Валка бензопилами + обрезка сучьев + трелевка хлыстов вершинами вперед; 2. Валка, обрезка сучьев, сбор сучьев в кучи + трелевка хлыстов комлями вперед + раскряжевка; 3. Валка + трелевка деревьев комлями вперед + обрезка сучьев, раскряжевка; 4. Валка, обрезка сучьев, раскряжевка бензопилой + трелевка сортиментов; 5. Машинная валка, обрезка сучьев, раскряжевка + трелевка сортиментов;
6. Машинная валка, пакетирование + трелевка деревьев + машинная обрезка сучьев. Для этих систем машин определялись: места скоплений и средняя плотность отходов.
По исследованным схемам по результатам экспериментов на лесосеках предприятий Северо-Западного федерального округа России были получены следующие данные. Бессистемное образование отходов - плотность 1 у.е., место образования (доля площади лесосеки, занятая отходами, %) пасеки (100 %). Моделирование размещения лесосечных отходов представлено на рисунке, а.
Система машин 1. Характерной особенностью данной системы является увели-
чение неконтролируемых потерь стволовой древесины в виде обломков хлыстов, деревьев. При работе по этой схеме на волоках сосредотачивается около 55-57 % лесосечных отходов, 43-45 % остается на пасеках, при этом из этих 43-45 % значительная часть около 65-70 % формируется в пятиметровой зоне, примыкающей к волоку. При удалении от этой зоны плотность лесосечных отходов резко уменьшается, составляя в зоне 5-10 м около 20 %, 10 - 15 м - 10 %. Средняя плотность отходов в зоне, включающей волок и примыкающих к волоку полос шириной 5 м, составляет 2,2 у.е., то есть среднее количество отходов в переводе их в плотные куб. метры на 1 м2 площади лесосеки в этой зоне в 2,2 раза больше плотности отходов на единицу площади, если бы отходы образовывались без выраженной закономерности (бессистемное образование). Моделирование размещения лесосечных отходов представлено на рисунке, б.
Система машин 2. Данная схема характеризуется тем, что отходы в виде сучьев не переносятся на волок, а формируются в виде куч непосредственно на пасеках, в тех местах, где это всего удобнее для вальщика (использование минимального времени на уборку и затраты наименьших физических сил). В результате получается равномерное распределение куч по всей лесосеке, за исключением волоков. Размеры средней кучи составили: 1,7 м диаметр основания кучи;
1,5 м высота кучи. Средняя плотность отходов в местах скопления составила 71,4 у.е. Доля площади лесосеки, занятая отходами, составила 2-5 %, отходы сосредотачивались на пасеках, рисунок, в.
Система машин 3. Данная система машин и последовательность операций характеризуется тем, что основной объем отходов образуется на верхнем складе. Размеры верхнего склада ограничены, поэтому отходы после обрезки сучьев и раскряжевки, чтобы они не мешали погрузке сортиментов на лесовозный транспорт, формируются в кучи трелевочным трактором при помощи манипулятора. Размеры кучи: высота варьировалась от 2 до 7 м; длина куч до 10 м; ширина 5-6 м.
118
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»
Средняя плотность отходов в местах скопления 90,5 у.е., отходы занимали площадь 1-2 % от площади лесосеки и скапливались на верхнем складе, рисунок, г.
Система машин 4. Система машин характеризуется переносом лесосечных отходов на волока. Особенностью является повышение плотности отходов за счет увеличенной доли вершинной части в общем объеме отходов. Выработка дополнительного сортимента из вершинной части дерева представляет со-
бой трудоемкую операцию. Вальщик-раскряжевщик не мотивирован к выработке дополнительного сортимента из вершинной части, так как заинтересован в производстве как можно большего объема сортиментов, а сортимент из вершинной части характеризуется малым объемом. По данным натурных исследований определено, что вершина остается после валки каждого дерева, дополнительно к вершинной части добавляется поврежденный в результате валки подрост, который так-
Рисунок. Системы машин и результаты моделирования размещения отходов в ГИС: а) бессистемное образование; б) валка бензопилами + обрезка сучьев + трелевка хлыстов вершинами вперед; в) валка, обрезка сучьев, сбор сучьев в кучи + трелевка хлыстов комлями вперед + раскряжевка; г) валка + трелевка деревьев комлями вперед + обрезка сучьев, раскряжевка; д) валка, обрезка сучьев, раскряжевка бензопилой + трелевка сортиментов; е) машинная валка, обрезка сучьев, раскряжевка + трелевка сортиментов; ж), з) машинная валка, пакетирование + трелевка деревьев + машинная обрезка сучьев без укрепления и с укреплением волоков сучьями
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 1/2013
119
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС
же переносится на волок. Средний диаметр в нижнем отрубе вершинной части и тонкомерных деревьев 8 см, средняя длина 6 м.
Но некоторые предприятия практикуют систему оплаты труда, которая позволяет мотивировать вальщиков к выработке сортиментов из вершины дерева. Тогда структура лесосечных отходов при их переносе на волок в основном представлена сучьями, ветвями. Средняя плотность отходов в местах скопления (на волоке) относительно бессистемного образования составляет 9,5 у.е. Отходы занимают 20 % площади лесосеки и сосредотачиваются на волоках, рисунок, д.
Система машин 5. Использование данной системы машин характеризуется образованием основного объема лесосечных отходов на волоках. На пасеках остается незначительная часть отходов, представленная, главным образом, поврежденным подростом. Объем отходов, образовавшийся на пасеках, составляет менее 5 % от общего объема, поэтому эти отходы рассматриваются только как потери. Средняя плотность лесосечных отходов в местах скопления (на волоке) составила 5 у.е. Лесосечные отходы сосредотачивались на волоках и занимали 20 % площади лесосеки, рисунок, е.
Для систем машин 4 и 5 отходы, образовавшиеся на волоках, загрязнены минеральными примесями, поскольку выступают как хворостяная подушка и защищают волок при проходах форвардера в процессе трелевки сортиментов.
Система машин 6. Для данной системы машин отходы формировались на верхнем складе в виде куч, однако кучи были рассредоточены по большей площади по сравнению с системой машин 3. Это было связано с тем, что на верхнем складе работал процессор, рабочая зона для укладки сортиментов которого ограничена. Процессор переезжал от мест складирования деревьев, которые были сформированы в пачки строго определенного объема. Часть лесосечных отходов увозилась на волока с целью их укрепления. На отдельных лесосеках с переувлажненными грунтами на волоках укладывался поперечный настил из низкокачественной древесины. Использовал-
ся специальный трактор для этих целей. В этой связи объем отходов, образовывавшийся на верхнем складе, в полном объеме может использоваться для дальнейшей переработки. Средняя плотность отходов в местах скопления (на верхнем складе) составила 66,7 у.е. Лесосечные отходы формировались на верхнем складе и занимали 1-2 % площади лесосеки. На рисунке, ж представлены результаты моделирования в геоинформационной системе, если часть отходов увозится на волока, на рисунке, з - если лесосечные отходы в виде сучьев не используются для укрепления.
Такая большая разница в плотности древесных отходов по сравниваемым системам машин связана с тем, что для некоторых схем лесосечные отходы разбросаны по значительной площади, а в некоторых схемах отходы формируются в виде куч. Изменение в значениях плотности и мест скоплений определяет технологию дальнейшей заготовки лесосечных отходов, а также размеры безвозвратных потерь вторичного древесного сырья. С увеличением плотности на единицу площади лесосеки количество безвозвратных потерь снижается.
Места образования также оказывают влияние на технические характеристики древесных отходов. Так образование на волоках, по которым осуществляют проходы лесные машины, приводит к перемешиванию отходов и грунта, что снижает потребительские свойства отходов как сырья или вообще приводит к технической нецелесообразности их дальнейшей заготовки. Параметры плотности на единицу площади лесосеки определяют производительность машин для сбора отходов, технические характеристики манипуляторов для сбора (вылет, грузоподъемность), технические параметры рубительных машин, упаковочных машин, объем кузова транспортных машин и требуются для обоснования технических характеристик машин по заготовке отходов и формирования интегрированных технологических процессов заготовки лесной древесной биомассы.
В соответствии с теми технологическими процессами, которые получили распространение на заготовке лесосечных отходов в
120
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
