CC BY
35
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС
ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ НОВОГО СПОСОБА ЗАГОТОВКИ СОРТИМЕНТОВ
С.Б. ЯКИМОВИЧ, проф. каф. ТОЛП Уральского ГЛТУ, д-р техн. наук,
М.А. ТЕТЕРИНА, доц. каф. ТОЛП Уральского ГЛТУ, канд. техн. наук,
В.В. ГРУЗДЕВ, научн. сотр. Уральского ГЛТУ
Согласование по производительности (синхронизация) [1] машин в системах заготовки сортиментов выполняется в настоящее время, в большей части, на основе обоснования состава систем по количеству машин и изменения коэффициента сменности работы машин. При использовании таких подходов в связи с целочисленностью управляемых переменных возникают зоны неэффективности, определяемые скачками целевой функции при дискретном изменении количества машин или коэффициента сменности. Кроме того, все современные дорогостоящие лесозаготовительные комплекты функционируют полные сутки, что исключает возможность управления коэффициентом сменности. Имеются методики, предполагающие использование дополнительного оборудования, простаивающего вне пиков производства.
о ° "ой°.
Рис. 1. Технологическая схема заготовки сортиментов традиционным способом: 1 - харвестер; 2 - волок; 3 - стоящие деревья; 4 - сортименты; 5 - поваленное дерево; 6 - подрост; 7 - порубочные остатки
[email protected], [email protected]
Сохранение продуктивности лесной среды при выборе лесозаготовительных систем обеспечивается посредством снижения площади и интенсивности уплотнения лесных почво-грунтов и сохранения биологического разнообразия лесных экосистем [2]. Снижение интенсивности уплотнения почв обеспечивается посредством укрепления волоков порубочными остатками, а также на основе ограничений на технические характеристики машин (грузоподъемность, массу, удельное давление на грунт и т.п.). Эффективность укрепления волоков определяется схемами и приемами работы машин в системе, которые также обеспечивают снижение площади уплотнения почв и сохранение имеющегося на лесосеке подроста. Кроме того, управление режимами (траекториями, схемами, приемами) работы машин в системах заготовки древесины определяет их производительность [3-5]. Однако методы, обеспечивающие одновременно как сохранение продуктивности лесных экосистем, так и синхронизацию машин, отсутствуют.
Таким образом, для синхронизации систем машин заготовки сортиментов при условии сохранения продуктивности лесной среды необходим метод управления нецелочисленными параметрами, а также схемами и приемами работы систем.
С целью разработки такого метода выполнена сравнительная экспериментальная оценка двух способов заготовки сортиментов - традиционного и патентно защищенного [6]. На основе анализа результатов опытно-промышленной заготовки сортиментов определены такие показатели эффективности системы машин при работе по указанным способам, как сохранение подроста, интенсивность укрепления волоков порубочными остатками, процент времени простоев машин.
192
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»
Условия и методика проведения опытно-промышленной заготовки сортиментов
Эксперимент проведен в июле 2011 г. на территории Акчимского участкового лесничества ГКУ «Вайское лесничество» на базе арендуемых лесных участков (квартал 240, делянка № 5, выдел 7, площадь 24,4 га) и парка машин (харвестер John Deer 1270, форвардер John Deer 1410, операторы с опытом работы 3 года) ООО «Красновишерск Лес» (дочернего предприятия ОАО «Соликамскбумпром») в следующих природно-производственных условиях: способ рубки - сплошная, вид рубки -главное пользование, способ трелевки - в сортиментах, состав древостоя 4Е1П2Е2П1Б+К, запас 150 м3/га, уклон 5°, ширина волоков 5
м. Заготовка сортиментов выполнялась традиционным (рис. 1) и патентно защищенным способами (рис. 2).
При заготовке сортиментов традиционным способом поваленное дерево размещалось в направлении, перпендикулярном оси волока. При этом порубочные остатки располагались как на волоке, так и на пасеке в зоне размещения кроны поваленного дерева. За-
готовка сортиментов патентно защищенным способом осуществлялась следующим образом. Харвестер 1 выполнял валку стоящих деревьев 3 вперед или назад под углом к волоку 2 (рис. 2,а), обеспечивающим направленную валку вершиной на волок. Кроме того, при валке комлевая часть дерева не приземлялась и поднималась над землей манипулятором 4 харвестера. После валки поднятая над землей комлевая часть поваленного дерева 5 переносилась к волоку (рис. 2, б) таким образом, чтобы обеспечить компактное расположение сортиментов в пачках 7 за пределами куртин подроста 6. В том случае если переноса комлевой части поваленного дерева по направлению к волоку было недостаточно для соблюдения указанных условий, осуществлялся переезд харвестера и подтаскивание дерева вдоль волока. Затем выполнялась обрезка сучьев и раскряжевка. При этом оставляемые на волоке сучья и вершины 8 располагались на волоке (рис. 2, б).
С целью количественной оценки эффективности мер по сохранению подроста при заготовке сортиментов описанными способами выполнено обследование естественного возобновления леса под пологом и после
а б
Рис. 2. Технологическая схема заготовки сортиментов патентно защищенным способом (а - валка стоящего дерева, б - обрезка сучьев и раскряжевка поваленного дерева): 1 - харвестер; 2 - пасечный волок; 3 - стоящие деревья; 4 - манипулятор; 5 - поваленное дерево; 6 - куртины подроста; 7 - пачки сортиментов
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
193
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС
рубки [7]. Учет естественного возобновления проводился выборочно-перечислительным методом. Обследование проводилось на прямоугольных пробных площадках размером 20 м2 (длина 5 м, ширина 4 м). Под пологом леса учет выполнен на 32 пробных площадках, после рубки по традиционному способу - на 30 площадках, по патентно защищенному - на 28. В связи с тем, что сохранение подроста на волоках невозможно, также выполнена оценка количества и сохранности подроста отдельно, на пасеках. Данные перечетных ведомостей естественного возобновления леса представлены в [8].
Исследование синхронизации системы при работе по указанным способам реализовано по методике активного эксперимента. В качестве факторов рассматривались расстояние трелевки L, м и рейсовая нагрузка фор-вардера Q, шт., в качестве отклика - процент простоев системы P. Для анализа зависимости между откликом и факторами использована модель второго порядка и соответствующий центральный ротатабельный композиционный план [8]. Фиксирование соответствующих случайных параметров технологического процесса выполнено на основе показаний информационной системы Timbermatic хар-вестера и TMC форвардера.
Результаты опытно-промышленной заготовки сортиментов
Результаты обследования подроста под пологом леса позволяют сделать вывод о среднем по густоте [7] возобновлении хвойных пород (4969 шт./га) и редком возобновлении березы (1109 шт./га). При оценке без учета породы возобновление под пологом леса классифицируется как густое (6078 шт./га).
Сравнительный анализ сохранности подроста после заготовки сортиментов традиционным способом и по патенту свидетельствует, что патентно защищенный способ обеспечивает повышение сохранности подроста, а именно:
- сохранность подроста всех пород на всей площади вырубки повышается на 25 % (при использовании традиционного способа сохраняется 42 % подроста в количестве 2550
шт./га, при использовании патентно защищенного способа - 67 % в количестве 4089 шт./га);
- сохранность хвойного подроста на всей площади вырубки повышается на 35 % (при использовании традиционного способа сохраняется 42 % подроста в количестве 2083 шт./га, при использовании патентно защищенного способа - 77 % в количестве 3857 шт./га);
- сохранность подроста всех пород на пасеках повышается на 28 % (при использовании традиционного способа сохраняется 55 % подроста в количестве 3326 шт./га, при использовании патентно защищенного способа - 83 % в количестве 5024 шт./га);
- сохранность хвойного подроста на пасеках повышается на 41 % (при использовании традиционного способа сохраняется 55 % подроста в количестве 2717 шт./га, при использовании патентно защищенного способа - 96 % в количестве 4762 шт./га).
Сохранность подроста березы при использовании патентно защищенного способа снижается на 19 %, что обеспечивает улучшение породного состава лесовозобновления. Количество подроста березы под пологом леса составляет 18 % (1109 шт./га), после рубки по традиционному способу также 18 % (467 шт./га), а после рубки по патентно защищенному способу - 6 % (232 шт./га).
Доля жизнеспособного подроста [7] в общем количестве хвойного подроста под пологом леса составила 71 % (3531 шт./га жизнеспособного хвойного подроста при количестве хвойного подроста 4969 шт./га). После рубки по традиционной технологии сохранилось 36 % жизнеспособного хвойного подроста (1267 шт./га), после рубки по патентно защищенному способу - 78 % (2750 шт./га).
Валка вершиной на волок и перенос комлевой части поваленного дерева к волоку при заготовке сортиментов патентно защищенным способом обеспечили концентрацию всех порубочных остатков на волоках, что позволило снизить уплотнение почвы на них и исключить ее застойное переувлажнение. В то же время валка вершиной на пасеку по традиционному способу определила снижение
194
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»
Таблица 1
Результаты экспериментального исследования синхронизации системы
№ опыта Q, шт. L, м Р
Традиционный способ Способ по патенту
1 70 200 0,384 0,269
2 70 600 0,596 0,521
3 120 200 0,308 0,159
4 120 600 0,485 0,389
5 60 400 0,545 0,459
6 130 400 0,396 0,283
7 95 117 0,275 0,124
8 95 683 0,56 0,477
9(С) 95 400 0,452 0,350
10(С) 95 400 0,455 0,353
Чистая ошибка 0,0000045
Чистая ошибка 0,0000045
аб Рис. 3. Карта Парето эффектов факторов эксперимента по синхронизации при заготовке сортиментов традиционным способом (а) и по патенту (б)
концентрации порубочных остатков на волоках и привела к значительному уплотнению и переувлажнению почвы на их площади.
Анализ результатов исследования синхронизации системы (табл.1) при работе по указанным способам выполнен на модели второго порядка с оценкой главных эффектов и эффектов взаимодействия. Адекватность выбранной модели установлена по результатам дисперсионного анализа (рис. 3) [8] свидетельствующим, что статистически значимыми являются линейные эффекты расстояния транспортировки и рейсовой нагрузки форвардера и квадратичный эффект расстояния транспортировки.
По итогам статистической обработки экспериментальных данных также установлено, что средняя продолжительность получения одного сортимента харвестером при работе по традиционному способу составила 22,60 с, а при работе по патентно защищенному способу - 26,82 с.
Проверка всех полученных экспериментальных данных на анормальность выполнена по критерию Греббса при доверительной вероятности p = 0,95. Средняя величина относительной ошибки определения статистических оценок при доверительной вероятности p = 0,95 составила 7,49 % [8].
Таким образом, снижение производительности харвестера при работе по патентно защищенному способу сравнительно с традиционным составило 16 %, что связано с более тщательным выполнением оператором приемов заготовки сортиментов и отсутствием навыка работы по данному способу, а также со снижением ширины пасеки до 16-17 м вместо 18-19 м.
Выводы
1. Валка вершиной на волок без приземления комлевой части дерева, а также компактное размещение сортиментов с учетом расположения куртин хвойного подроста при
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 1/2013
195
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС
заготовке сортиментов патентно защищенным способом обеспечили практически полное (96 %) сохранение хвойного подроста на пасеках. Валка вершиной на пасеку при заготовке сортиментов традиционным способом привела к повреждению значительной части (45 %) хвойного подроста на пасеках при обрезке сучьев и раскряжевке, в ходе которых крона поваленного дерева перемещается по площади пасеки.
2. В соответствии с Правилами лесовосстановления для условий Северо-Уральского района характеристика сохраненного подроста после заготовки сортиментов по патентно защищенному способу (количество жизнеспособного подроста ели и пихты при оценке с учетом коэффициентов пересчета мелкого и среднего подроста в крупный - 2213 шт./га) обеспечивает естественное лесовосстановление путем мероприятий по сохранению подроста. После заготовки сортиментов по традиционному способу требуется естественное лесовосстановление путем минерализации почвы или комбинированное лесовосстановление (количество жизнеспособного подроста ели и пихты при оценке с учетом коэффициентов пересчета мелкого и среднего подроста в крупный - 1129 шт./га).
3. При работе по традиционному способу харвестер простаивает в среднем 45 % времени по причине асинхронности системы и полной загрузки форвардера. Снижение производительности харвестера на 16 % при работе по новому способу обеспечивает повышение загрузки системы и снижает простои харвестера до 34 % с одновременным сохранением подроста до уровня мер содействия естественному лесовозобновлению.
Результаты получены при выполнении поисковой научно-исследовательской работы в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
Библиографический список
1. Якимович, С.Б. Синхронизация обрабатывающетранспортных систем заготовки и первичной обработки древесины: монография / С.Б. Якимович, М.А. Тетерина - Йошкар-Ола, 2011. - 201 с.
2. Герц, Э.Ф. Оценка технологии лесопользования на лесосечных работах: дисс. ... д-ра техн. наук: 05.21.01 /Э.Ф. Герц - Екатеринбург, 2003. - 120 с.
3. Якимович, С.Б. Определение характеристик потока деревьев при непрерывном режиме работы валочно-пакетирующих машин / С.Б. Якимович, С.Л. Шулепов // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. - 1990. - № 6. - С. 49-52.
4. Якимович, С.Б. Обоснование скоростных режимов валочно-пакетирующих машин с совмещенными функциями / С.Б. Якимович, О.А. Шулепова // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. - 1992. - № 3. - С. 33-37.
5. Якимович, С.Б. Управление схемами работы машин в обрабатывающе-транспортных лесозаготовительных системах / С.Б. Якимович, М.А. Тетерина // Вестник МГУЛ-Лесной Вестник, 2010. - № 5. - С. 78-82.
6. Пат. 2365093 РФ. Способ заготовки сортиментов машиной манипуляторного типа /С.Б. Якимович, В.В. Груздев, В.Н. Крюков, М.А. Тетерина; заявитель и патентообладатель Мар. гос. техн. унт. - № 2008107195/12; заявл. 26.02.2008; опубл. 27.08.2009, Бюл. № 24. - 9 с.: 4 ил.
7. Правила лесовосстановления (Бюллетень нормативных актов федеральных органов исполнительной власти от 1 октября 2007 г. № 40): утв. приказом МПР РФ от 16 июля 2007 г. N 183: ввод в действие с 10.10.2007. - М., 2007.
8. Оптимально функциональные синхронизированные транспортно-обрабатывающие системы и управление ими: отчет о НИР (промежуточный, 2 этап) / МарГТУ; рук. Якимович С.Б.; исп. К.С. Якимович, М.А. Тетерина, В.В. Груздев и др. -Йошкар-Ола, 2011. - 124 с.
196
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
