Введение к работе
Лесной кодекс РФ предполагает обеспечение многоцелевого, рационального, непрерывного, неистощительного использования лесов для удовлетворения потребностей общества в лесах и лесных ресурсах.
Основным видом использования лесов в РФ является заготовка древесины. Наибольшие объемы древесины заготавливаются в таежных лесах Европейско-Уральской части РФ, и эта тенденция сохраняется. Съем древесного сырья с 1 га в России составляет 0,21 м3, тогда как в развитых странах этот показатель достиг уровня 2,5…3,5 м3, что является важнейшим показателем эффективности использования лесов. Увеличение объема заготовки древесины допускается при условии воспроизводства лесов, улучшения их качества, а также повышения продуктивности, что является насущной проблемой страны.
Согласно Лесному кодексу, выполнение лесосечных и лесовосстановительных работ вменяется в обязанность лесопользователю – гражданину или юридическому лицу, получившему участок для заготовки древесины. Такой лесопользователь, в отличие от государства, имеет ограниченные средства для приобретения ресурсов (машин, материалов, рабочей силы и т. п.), используемых при выполнении этих и сопутствующих работ на лесном участке.
В отечественном лесном секторе продолжается сложившаяся в XX веке практика, когда лесозаготовки существовали отдельно от лесовосстановления. Лесозаготовки ведутся по технологиям энерго- и ресурсозатратным, наносящим урон воспроизводственным способностям леса. Поэтому при лесовосстановлении также приходиться тратить много ресурсов, чтобы компенсировать этот ущерб.
Традиционные технологии лесовосстановления предполагают удаление пней на пути движения машин. В таежной зоне эти технологии неэффективны из-за большого количества препятствий на вырубках, поэтому не применяются.
Ограниченность средств вынуждает лесопользователя решать следующие задачи: 1) заготовить древесину с минимальными затратами ресурсов; 2) обеспечить лесовосстановление хозяйственно-ценными породами также с минимальными затратами. Разрешить противоречие между требованиями снизить затраты и на заготовку, и на восстановление леса возможно посредством преобразования их в единую технологию, и на этой основе снизить общие затраты ресурсов на освоение лесных участков.
Организация единой ресурсосберегающей технологии лесосечных и лесовосстановительных работ является одной из проблем развития лесного сектора экономики страны, а обоснование ее решения на базе технологических, технических и экономических мероприятий представляет собой новое научное направление.
Цель работы – повышение эффективности получения древесного сырья на основе выбора технологий, обоснования и оптимизации параметров процессов и режимов работы лесозаготовительных и лесохозяйственных машин с учетом экономических условий, воздействия на смежные производственные процессы и окружающую среду.
Из поставленной цели вытекают следующие задачи исследований:
1. Разработать и обосновать параметры единой ресурсосберегающей техноло-
гии лесосечных и лесовосстановительных работ, базирующейся на сети технологических коридоров постоянного действия;
2. Предложить и обосновать критерий оптимизации комплекса лесных машин для работы в единой технологии лесосечных и лесовосстановительных работ на лесном участке;
3. Определить минимальный размер площади на лесном участке для организации коридоров постоянного действия с учетом технологических возможностей лесосечных машин;
4. Обосновать параметры новой универсальной машины, предназначенной для посадки и посева леса на вырубках в условиях динамического взаимодействия ее рабочих органов со средой препятствий;
5. Выявить экономические и природно-производственные условия, в которых обеспечивается эффективная реализация технологий лесосечных и лесовосстановительных работ на лесных участках.
Объект исследования представляет собой совокупность машин и технологий, применяемых на лесных участках для лесосечных и лесовосстановительных работ в таежной зоне РФ.
Предмет исследования представляет собой технологические связи и закономерности, возникающие в процессе применения машинных технологий лесосечных и лесовосстановительных работ.
Методы исследования основываются на системном анализе, теории принятия оптимальных решений, классических механико-математических методах моделирования рабочих процессов машин, экспериментальных исследованиях процессов работы машин и свойств предметов труда в лабораторных и полевых условиях, математической статистике и анализе технико-экономической эффективности.
Научная новизна заключается в разработке:
теоретического обоснования объединения разрозненных процессов лесосечных и лесовосстановительных работ в единую технологию, отличающегося системным учетом природно-производственных характеристик лесных участков, параметров лесных машин и экономических показателей лесопользования;
универсального метода оценки эффективности технологий и машин для лесосечных и лесовосстановительных работ, отличающегося интегральным учетом прибыли, расходования ресурсов в натуральном их выражении и обеспеченности территории рабочей силой;
теоретического обоснования применяемости лесосечных машин в условиях обустройства лесного участка технологическими коридорами постоянного действия, отличающегося учетом физических границ области влияния движителей машин на почву;
теоретического обоснования параметров новой универсальной машины для посадки и посева леса на вырубках, отличающейся учетом нагруженности ее рабочих органов в режимах ударного взаимодействия с препятствиями без нарушения рабочего процесса;
экономико-математического обоснования условий для применения единой технологии лесосечных и лесовосстановительных работ, отличающегося учетом
ограниченных материальных возможностей лесопользователей и обеспечивающего максимизацию доходов.
Научная значимость работы заключается в следующем:
расширена и дополнена теоретическая база для совершенствования лесопользования путем объединения диалектически противоположных процессов – заготовки и восстановления леса, в единую технологию освоения лесного участка, на базе обоснования параметров технологических коридоров, учета характеристик лесных машин и экономических условий для ее реализации;
предложен метод сравнения технологий и машин для лесосечных и лесовосстановительных работ, который сочетает в интегральном показателе их экономическую оценку на данный период времени с ресурсосбережением в перспективе, и на этой основе позволяет принимать научно обоснованные решения относительно эффективности технологий и машин;
теоретически обоснована механика взаимодействия с почвой движителей лесных машин, включающая определение физических границ области этого взаимодействия; получены аналитические выражения для определения глубины колеи и ширины технологических коридоров для движения лесосечных машин в единой технологии лесосечных и лесовосстановительных работ;
аналитически обоснованы параметры высевающего приспособления к машине для посадки леса на вырубках, а также новые модели взаимодействия с препятствиями рабочих органов универсальной машины для посадки и посева леса, развивающие современные теоретические представления о работе лесохозяйственных машин в среде препятствий;
разработаны новые экономико-математические модели для прогнозирования результатов реализации технологических и технических решений, принимаемых лесопользователем, с учетом внешних по отношению к нему экономических условий.
Практическая значимость и результаты внедрения. Практическая значимость работы заключается в использовании основных ее положений:
объединение лесосечных и лесовосстановительных работ в единую технологию позволяет лесопользователям снизить издержки за счет сокращения или исключения подготовительно-заключительных операций, а также непроизводительных затрат ресурсов;
оценка эффективности технологических процессов и комплексов машин по предложенному интегральному показателю позволяет лесопользователю обоснованно выбирать наилучший из близких по экономической эффективности вариантов, и формировать свою техническую политику;
использование математических моделей взаимодействия с почвой движителей машин позволяет минимизировать ширину технологических коридоров постоянного действия для движения лесосечных машин и на этой основе сократить непродуктивную часть площади лесного участка;
внедрение новой универсальной машины для посадки и посева леса на вырубках, работоспособной в среде препятствий, позволяет лесопользователям сократить номенклатуру необходимых лесохозяйственных машин и на этой основе снизить издержки на лесовосстановление;
применение экономико-математических моделей, учитывающих внешние для лесопользователя экономические условия, позволяет обеспечить рост эффективности получения древесного сырья без ущерба для продуктивности лесов;
разработанные практические рекомендации и программы для ПЭВМ позволяют обеспечить использование результатов исследования в научных учреждениях, на производстве и в учебном процессе вузов.
Рекомендации по единой технологии лесосечных и лесовосстановительных работ применяются на лесопромышленных предприятиях холдинга ОАО «Сегежский ЦБК» и ОАО «Поросозеро» (Республика Карелия). Методики прогнозирования влияния движителей на почву и выбора лесных машин применяются на ОАО «Онежский тракторный завод». Рекомендации по обоснованию экономических условий для интенсивного лесопользования нашли применение в Институте экономики КарНЦ РАН и Министерстве экономического развития Республики Карелия. Рекомендации по лесовосстановлению с использованием универсальной машины для подготовки почвы, посева и посадки леса (на базе лункообразователя Л-2У), а также рекомендации по обоснованию экономических условий для единой технологии лесосечных и лесовосстановительных работ используются Государственным комитетом Республики Карелия по лесу. Результаты исследований автора внедрены в учебный процесс Петрозаводского государственного университета (Республика Карелия) и Ухтинского государственного технического университета (Республика Коми) для подготовки студентов лесных специальностей.
Результаты диссертационных исследований рекомендуется использовать для повышения эффективности лесосечных и лесовосстановительных работ в таежной зоне Европейско-Уральской части РФ.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Математические модели, устанавливающие количественные связи между параметрами процессов лесосечных и лесовосстановительных работ, учитывающие природно-производственные характеристики лесных участков, параметры лесных машин и экономические условия лесопользования;
2. Критерий оптимизации и метод выбора машин для лесосечных и лесовосстановительных работ, основанные на интегральном показателе, учитывающем прибыль, расходование ресурсов в натуральном выражении и обеспеченность территории рабочей силой;
3. Аналитические модели, описывающие механику взаимодействия с почвой движителей лесных машин и позволяющие обосновать минимальную ширину технологических коридоров на лесном участке;
4. Математические модели взаимодействия с препятствиями рабочих органов универсальной машины для посадки и посева леса, и параметры совместимого с ней высевающего приспособления;
5. Математические модели для обоснования экономических условий технологического обеспечения роста эффективности получения древесного сырья без ущерба для продуктивности лесов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались:
на международных конференциях, в т. ч.: «Проблемы развития лесного комплекса» (Петрозаводск, 1998 г.), «Лесной сектор Республики Карелия и Вос-точной Финляндии» (Каяани, Финляндия, 1999 г.), «Социально-экономическая устойчивость лесоводства» (Петрозаводск, 2000 г.); «Новые технологии и устойчивое управление в лесах Северной Европы» (Петрозаводск, 2001 г.); «Технологии, машины и производство лесного комплекса будущего» (Воронеж, 2004 г.); «Рациональное природопользование: ресурсо- и энергосберегающие технологии и их метрологическое обеспечение» (Петрозаводск, 2004 г.); «Проблемы лесопромышленного производства и устойчивого управления лесными ресурсами» (С.-Петербург, 2004 г.); «Конференция по лесным технологиям» (Хюютиала, Финляндия, 2004 г.); «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2004 г.); «Экологические функции лесных почв в естественных и антропогенно нарушенных ландшафтах» (Петрозаводск, 2005 г.); «Севергеоэкотех-2006» (Ухта, 2006 г.); «Лесопромышленный комплекс России XXI века» (Петрозаводск, 2006 г.), «Воспроизводственный потенциал региона» (Уфа, 2007 г.);
всероссийских конференциях, в т. ч.: «Экология и рациональное природопользование» (С.-Петербург, 2001 г.); «Проблемы лесного комплекса России в переходный период развития экономики» (Вологда, 2002 г.); «Стратегия развития северных регионов России» (Архангельск, 2003 г.); «Вузовская наука – региону» (Вологда, 2003…2005 гг.); «XI Неделя науки МГТУ» (Майкоп, 2005 г.); «Проблемы экологии на пути к устойчивому развитию регионов (Вологда, 2005 г.); «XXV Российская школа по проблемам науки и технологий» (Екатеринбург, 2005 г.); «Горизонты экономического и культурного развития» (Ухта, 2006 г.);
на республиканских научно-практических конференциях КарНИИЛПа и КарНИИЛПКа (Петрозаводск, 1998, 1999 и 2003 гг.); научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов, докторантов и соискателей лесного комплекса Карелии (Петрозаводск, 1999, 2000 и 2003 гг.); на семинарах Института экономики КарНЦ РАН и кафедры Технологии и оборудования лесного комплекса ПетрГУ (1999…2004 гг.).
Личное участие автора в получении результатов. Исследования по поставленной проблеме проводились автором в Республике Карелия в Петрозаводском государственном университете (ПетрГУ) в рамках проектов и программ:
гранты Министерства образования и науки РФ: № 311-97 «Система машин для комплексной механизации лесовосстановительных работ в Республике Карелия» (1997…1998 гг.); № 97-23-2.1-5 «Повышение эффективности лесовосстановительных работ на основе ресурсосберегающей технологии» (1998…2000 гг.); № М00-3.8К-351 «Преобразование заготовки и восстановления леса в единый технологический процесс» (2000 г.); № М01-3.8П-305 «Система устойчивого управления лесными ресурсами» (2001 г.); № 5.01.009 «Система устойчивого управления возобновляемыми ресурсами на примере лесных запасов» (2001 г.);
Российско-Финляндские проекты: «Тайга – Модельный лес» (1997…2000 гг.) и «Совершенствование методов и практики коммуникации в лесном секторе Республики Карелия» (2001…2002 гг.);
грант № 2006-РИ-19.0/001/575 «Эффективное лесопользование на основе
рациональной технологии заготовки и восстановления леса» (2006 г.) федеральной научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002…2006 гг.;
прикладные НИР: «Программа развития лесопромышленного комплекса Республики Карелия» (1999 г.); «Оценка ситуации и анализ состояния лесного комплекса Республики Карелия» (2003 г.); «Актуальные вопросы лесного хозяйства России» (2003 г.); «Внедрение в производство лункообразователя Л-2У» (2004…2006 гг.).
Диссертация является результатом многолетних исследований автора, который обосновал тему, определил цель и задачи исследования, выполнил экспериментальные исследования, проанализировал их результаты и обосновал рекомендации по повышению эффективности лесосечных и лесовосстановительных работ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 173 работы, из них 52 – основные работы, включая 6 монографий, 19 статьей в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, 4 патента РФ, в т. ч. 28 работ без соавторов. Результаты исследований отражены также в 5 отчетах по НИР, выполненных под руководством или при участии автора.
В работах, опубликованных в соавторстве, личное участие автора заключается в определении проблемы, цели и задач; выполнении теоретических разработок; проведении расчетов и анализе результатов исследования; разработке практических рекомендаций по применению полученных теоретических результатов для повышения эффективности лесосечных и лесовосстановительных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 разделов, заключения, списка использованных источников из 295 наименований, 15 приложений. Общий объем работы – 444 с., в т. ч. 126 рис., 84 табл. и 111 c. приложений.
