Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и задачи исследования ... 9
1.1. Особенности несплошных технологий рубок главного и промежуточного пользования 9
1.2. Управление процессом валки дерева 19
1.3. Критерии оценки возникающего ущерба при проведении несплошных рубок 23
1.4. Возникновение ущерба при проведении несплошных рубок 27
2. Исследования отклоняющей силы действующей на дерево 37
2.1. Механизм образования в процессе роста дерева отклоняющей силы 41
2.2. Обоснование вида эксперимента. Выбор факторов определяющих отклоняющую силу, действующую на дерево 46
2.3. Выбор регрессионной модели 55
2.4. Методика проведения эксперимента 56
2.5. Характеристика экспериментального участка. Результаты эксперимента 59
2.6. Статистические оценки результатов эксперимента. 63
2.7. Построение математической модели 71
2.8. Оценка точности, значимости коэффициентов регрессии и интерпретация результатов 72
2.9. Проверка адекватности математической модели 75
3. Теоретические исследования процесса механизированной валки при несплошньгх рубках 79
3.1. Вероятность первичного повреждения дерева при валке 79
3.1.1. Математическая модель вероятности беспрепятственной валки деревьев в секторе бензиномоторными пилами 88
3.1.2. Статистические модели рисков повреждения деревьев в результате отклонения от заданного направления валки.. 89
3.2. Динамика повала дерева при наличии отклоняющей силы ... 91
3.2.1. Математическая модель движения падающего дерева под действием отклоняющей силы 92
3.2.2. Управлением падением дерева в процессе валки 101
4. Экспериментальные исследование природно-производственных факторов влияющих на точность валки 117
4.1. Экспериментальные исследования 117
4.1.1. Обоснование вида эксперимента. Выбор факторов определяющих точность валки 118
4.1.2. Выбор регрессионной модели 119
4.1.3. Методика проведения эксперимента 120
4.1.4. Характеристика экспериментального участка. Результаты эксперимента 121
4.1.5. Статистические оценки результатов эксперимента 126
4.1.6. Построение математической модели 131
4.1.7. Оценка точности, значимости коэффициентов регрессии и интерпретация результатов 133
4.1.8. Проверка адекватности математической модели 136
4.2. Результаты изучения направленной валки деревьев 136
4.2.1. Технологические показатели санитарных рубок и рубок ухода 137
4.2.2. Повреждаемость оставляемых на доращивание деревьев в процессе механизированной валки 138
5. Эколого-экономическая оценка ущерба возникающего от проведения несплошных рубок 141
5.1. Методологический подход к определению ущерба возникающего при несплошных рубках 144
5.2. Экономическая модель оценки эффективности проведения несплошных рубок 148
5.2.1. Потери прибыли за счет снижения прироста 149
5.2.2. Потери прибыли за счет снижения качества древесины... 152
5.3. Обоснование технологии беспрепятственной валки принесшюшных рубках 155
Выводы 164
- Критерии оценки возникающего ущерба при проведении несплошных рубок
- Обоснование вида эксперимента. Выбор факторов определяющих отклоняющую силу, действующую на дерево
- Динамика повала дерева при наличии отклоняющей силы
- Повреждаемость оставляемых на доращивание деревьев в процессе механизированной валки
Введение к работе
Актуальность темы. В комплексе мероприятий, обеспечивающих рациональное, неистощительное и непрерывное использование лесных ресурсов, повышение продуктивности лесов и эффективное их восстановление, особое значение имеют способы несплошных рубок главного и промежуточного пользования. Основная задача этих рубок заключается в изменении хода естественного развития лесонасаждений и отдельных деревьев в желаемом направлении. Кроме того, несплошные рубки являются дополнительным источником древесины, общий объем которой к возрасту главной рубки составляет величину, равную примерно запасу спелого леса.
Технологические процессы несплошных рубок предполагают строгую технологическую дисциплину и более высокую технику выполнения приемов работы по сравнению со сплошными, оказывают особое воздействие на лесную экосистему, и при несоответствии способу рубок или лесо-растительным условиям могут наблюдаться отрицательные явления в результате повреждения элементов леса. При проведении несплошных рубок, в результате повреждения или уничтожения подроста и деревьев, оставляемых на доращивание, возможно ухудшение качества выращиваемой древесины, снижение приростов, увеличение сроков лесовосстановления, ухудшение породного состава. Актуальность этой проблемы определяет необходимость исследований направленной валки деревьев.
Существующая практика валки дерева бензиномоторной пилой и технологии проведения несплошных рубок недостаточное внимание уделяет проблемам сохранности оставляемых на доращивание деревьев и подроста. При этом не в полной мере учитывается влияние таких факторов, как наклон ствола, эксцентричность кроны и направление и сила ветра, влияющих на точность валки. В результате, большинство деревьев отклоняются от заданного направления валки, что является причиной повреждения оставляемых на доращивание деревьев и подроста. Несмотря на широту и глубину выполненных в этой области исследований, в них недостаточно изучены вопросы влияния природно-производственных факторов на процесс валки, а также вероятности и последствий повреждения элементов леса при несплошных рубках. Поэтому исследование и разработка технологии направленной валки деревьев, отвечающей всем требованиям, предъявляемым к ведению лесозаготовок, является актуальной.
Цель исследования. Повышение эффективности технологий несплошных рубок при механизированной валке, путем научно обоснованного комплекса мероприятий, снижающих вероятность повреждения элементов леса.
Объект исследования. Технологический процесс направленной валки деревьев бензиномоторными пилами при несплошных рубках главного и промежуточного пользования.
Предмет исследования. Производственные параметры механизированной валки.
Методы исследования. Теория вероятностей, теория нечетких множеств, элементы риск - анализа, математическое моделирование, регрессионный анализ, натурные экспериментальные исследования (пассивные эксперименты).
Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается адекватностью полученных математических моделей базирующейся на значительном экспериментальном материале, собранном на временных и постоянных пробных площадях. Результаты исследований обработаны общепринятыми методами математической статистики с использованием компьютерных пакетов программ.
Основные научные положения и результаты исследования, выносимые на защиту:
Методика оценки отклонения дерева от заданного направления валки под действием отклоняющей силы.
Математические модели и методика оценки технологических элементов процесса валки дерева бензиномоторными пилами, позволяющих повысить ее точность, с целью предотвращения ВОЗМОЖНЫХ повреждений элементов леса.
Способ разработки лесосеки при несплошных рубках, позволяющий изреживать полупасеки с заданной интенсивностью и минимизировать повреждения элементов формируемого насаждения.
Научная новизна работы. Разработана методика расчета величины отклоняющей силы, отличающаяся от известных тем, что позволяет определить точность валки и отклонение дерева от заданного направления валки.
Разработана математическая модель оценки вероятности беспрепятственной валки дерева бензиномоторной пилой и прогнозирования повреждения деревьев при несплошных рубках, отличающаяся от известных тем, что позволяет обеспечивать максимальную сохранность оставляемой части древостоя и других элементов леса.
Значимость для теории и практики.
Для теории имеет значение:
методика оценки отклонения дерева от заданного направления валки под действием отклоняющей силы;
математические модели и методика оценки технологических элементов процесса валки дерева бензиномоторными пилами, позволяющих повысить ее точность, с целью предотвращения возможных повреждений элементов насаждения.
Для практики имеет значение:
рекомендации по осуществлению выбора оборудования и контроля квалификации исполнителей, необходимые для выборочной валки деревьев с заданными технологическими параметрами;
рекомендации по повышению точности направленной валки, позволяющие снизить степень повреждения элементов древостоя при несплошных рубках;
способ разработки лесосеки при несплошных рубках, позволяющий изреживать полупасеки с заданной интенсивностью и минимизировать повреждения элементов формируемого насаждения.
Личный вклад автора. Все работы по теме диссертации (разработка математических моделей и программно-методических положений, обобщение результатов предыдущих исследований, сбор, обработка и анализ экспериментальных материалов) осуществлены автором лично или при его непосредственном участии и руководстве.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований были доложены и обсуждались на:
всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов (УГЛТУ) в 2004-2008 гг.;
международной научно-технической конференции: «Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» (УГЛТУ) в 2005,2007 г.;
всероссийской конференции аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Рациональное природопользование» (ЯрГУ) в 2005-2006 гг. (г. Ярославль);
Первом Российском научном форуме «Демидовские чтения»: Демидовские чтения на Урале (УрГУ) в 2006 г. (г. Екатеринбург);
международном евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» (УГЛТУ) в 2006-2007 гг.
Результаты работы были отмечены медалью по итогам открытого конкурса на лучшую работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах Российской Федерации, 2005 г. (г. Москва) и 7 дипломами региональных и всероссийских конкурсов.
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 16 печатных работах, в том числе в 3 изданиях, рекомендуемых ВАК России, и одном патенте на изобретение (№2293462).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников литературы, включающего 196 наименований, в том числе 23 наименований зарубежных авторов. Имеет общий объем 219 машинописных страниц, содержит 45 рисунков, 32 таблицы, 7 приложений.
Критерии оценки возникающего ущерба при проведении несплошных рубок
Основным видом сырья, заготавливаемым в лесу предприятиями лесного комплекса, до настоящего времени является древесина. Однако существует необходимость обеспечивать удовлетворение потребностей общества всеми продуктами леса, как сырьевыми, так и нематериальными. Это накладывает определенные ограничения на выбор технических средств и технологий рубок. Критерии оценки технологий лесосечных работ не могут противоречить критериям устойчивого управления лесами, так как комплекс лесохозяйствен-ных и лесосечных работ является элементом в системе потребления обществом полезностей леса. В то же время этот комплекс работ следует рассматривать как сложную систему, которая характеризуется такими признаками как: 1. наличие большого количества взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов; 2. сложность функций, выполняемых системой и направленных на достижение поставленной цели функционирования; 3. возможность разбиения системы на подсистемы, цели функционирования которых подчинены общей цели функционирования всей системы; 4. наличие управления, разветвленной сети и интенсивных потоков информации; 5. наличие взаимодействия с внешней средой и функционирование в условиях воздействия случайных факторов [27].
Критерии, по которым можно современными методами оценить сложную систему лесопользования, должны отражать противоречивые стремления получить как можно больше качественной продукции с наименьшими затратами для производителя и рисками для общества. В качестве рисков для общества здесь рассматривают в первую очередь возможные социальные и экологические последствия.
Для оценки функционирования систем лесозаготовительного производства применяются различные критерии эффективности. В работе [70] предлагается использовать три группы критериев: социальные, экономические и технологические. В качестве критериев оценки технологий лесосечных работ и лесосечных машин предлагаются различные показатели лесоводственнои оценки [94], в основу которой была изначально положена территориальная связь между лесным хозяйством и лесозаготовками.
С учетом разрабатываемой в России системы сертификации лесов (с соблюдением принципов, установленных Советом по управлению лесами (FSC) и стандартом ISO 14001) целесообразно многочисленные критерии оценки технологий лесосечных работ объединять в три группы: экономические, экологические и социальные. Причем оценка технологических процессов лесосечных работ должна определяться эффективностью производства всего комплекса лесных полезностей включая как сырьевые, так и невесомые.
В работе [9] предлагается все мероприятия в области лесопользования и воспроизводства лесов рассматривать как определенный компромисс в достижении социальных, экологических и экономических целей и оценивать их соответственно по трем группам критериев — социальным, экологическим и экономическим. Графическая интерпретация предлагаемого подхода приведена на рисунке 1.1.
Обоснование вида эксперимента. Выбор факторов определяющих отклоняющую силу, действующую на дерево
Исследование причин естественного наклона стволов, а также эксцентричности крон деревьев является сложной лесоводственной задачей. Опытные работы по определению воздействия на дерево окружающей среды и изу чению дерева как объекта труда на лесосеке проводились [13, 14, 71, 92, 100, 103, 104, 109, 121,132, 144, 147, 155, 160, 166]. Обобщая работы по определению наклона ствола, можно установить, что деревья хвойных пород в возрасте спелости в основном имеют наклон стволов в пределах от 1 до 4, при этом отклонение в 1 имеют 30% деревьев, в 2 - около 30%, в 3 примерно 15%, 4 - около 3-4% деревьев. Деревья, имеющие наклон более 5 составляют не более 1% . Размеры, форма и густота кроны дерева меняются в зависимости от породы дерева и структуры лесонасаждения. Исследованиями было установлено, что наклоненные и с эксцентричной кроной деревья составляют от 30 до 45% всего количества. У 80% из них направление наклона стволов и эксцентричность крон в основном совпадают и соответствуют направлению господствующих ветров. Ветровая нагрузка оказывает существенное влияние на величину отклоняющей силы, которая определяется площадью миделя кроны, высотой дерева и скоростью ветра. Анализ материалов позволяет предполагать, что на наклон ствола оказывает влияние направление ветра, развитие кроны, биологические особенности древесных пород. Наклон дерева оказывает существенное влияние на направление падения дерево, при этом, чем больше угол между направлением естественного наклона дерева и направлением валки, тем дерево больше отклоняется от заданного направления. Таким образом, можно утверждать, что на дерево в процессе его валки действует отклоняющая сила, величина которой будет определяется формой ствола и кроны, а также направлением и силой ветра. В зависимости от воздействия на дерево в процессе валки вышеперечисленных факторов приведем классификацию отклоняющей силы: 1. Отклоняющая сила, возникающая от воздействия наклона ствола дерева; 2. Отклоняющая сила, возникающая под действием эксцентрично развитой кроны с учетом атмосферных осадков осевших на кроне; 3. Отклоняющая сила, возникающая от ветровой нагрузки. Суммарное значение момента создаваемого отклоняющей силой действующей на дерево Моткл_деР, в общем виде можно рассчитать по формуле: 10С — расстояние от вертикальной оси, проходящий через центр тяжести осевших осадков, до шейки корня дерева, м; X - угол, характеризующий направление действия общего веса осадков, град. При равномерном распределении осадков и несимметрично развитой кроне угол Я = у. В случае, когда осадки осели на дереве равномерно, то общий их вес увеличит вес дерева, не создавая дополнительного момента. Момент, создаваемый ветровой нагрузкой равен: где Ge — ветровая нагрузка, Н; he - расстояние от шейки корня дерева до центра давления ветровой нагрузки, м (he = (0,8-0,87) высоты дерева [121, 155]; со — угол приложения ветровой нагрузки, град. В приложении А приведены результаты теоретических расчетов величины отклоняющего момента, в случае, когда факторы, определяющие отклоняющую силу, действуют в одном направлении. Основная цель проводимого нами экспериментального исследования заключается в определение суммарного силового момента отклоняющей силы действующего на дерево в зависимости от факторов окружающей среды и параметров предмета труда. Искомая зависимость в итоге должна представлять собой функцию отклика в виде: И итклдер = f(clK,H,dKp,a],v), (2.29) где Моткддер - момент, создаваемый отклоняющей силой, Нм; dK - диаметр дерева в месте срезания, см; Н- высота дерева, м; d условный диаметр кроны по среднему сечению, м; а - угол наклона ствола, град, и - скорость ветра, м/с. В связи с тем, что все факторы, влияющие на исследуемый процесс, являются неуправляемыми и их можно только регистрировать, поставленный эксперимент будет пассивным. В основе обработки результатов пассивного эксперимента лежит регрессионный анализ. Он включает метод отыскания параметров математической модели и статистическую обработку данных. Зависимость выходной величины у от факторов Х1,Х2...ХК, полученная с применением регрессионного анализа, называется регрессионной моделью: y = f(Xi,X2,...X„), (2.30) где f(Xx,X2,...Xn) — функция отклика. Регрессионная модель, таким образом, является частным случаем математической модели объекта. Одним из важнейших вопросов при описании математической модели объекта является выбор вида регрессионной модели. В нашем случае на основании априорной информации не возможно однозначно определить вид регрессионной модели. В связи с этим воспользуемся наиболее широко ирименяемыми методами описания эксперимента, в которых регрессионные модели ииьекіок іфедсглааяются в виде многочлена второго порядка. модель в виде многочлена второго порядка содержит все слагаемые линейной модели и дополнительно включает квадратиЧНЬЇС члены, я БЛЯКЛІ; исся произведениями коэффициентов регрессии на квадраты факторов, а нашем случае модель оудет имеет вид
Динамика повала дерева при наличии отклоняющей силы
Разработанные в данном разделе модели вероятности беспрепятственной валки деревьев в секторе бензиномоторными пилами и рисков повреждения деревьев в результате отклонения от заданного направления валки описывают процесс механизированной валки прямостоящего дерева с равномерно развитой кроной. Однако на практике большинство деревьев имеют неповторимые специфические параметры. Направленная валка дерева всегда определяться целым рядом факторов: силой и направлением ветра, направлением и величиной угла наклона ствола, характером развития кроны, формой сечения ствола в плоскости спиливания и др. составляющих силу естественного тяготения дерева к падению или отклоняющую силу. Под воздействием отклоняющей силы спиленное дерево стремится упасть в неопределенном направлении, значительно отличающимся от заданного. Рассмотрим динамику процесса валки и способы управления падением дерева в заданном направлении при наличии отклоняющей силы. После срезания и сталкивания дерева при свободном его падении происходит вращение ствола под действием отклоняющей силы. Дифференциальное уравнение вращения твердого тела вокруг неподвижной оси основывается на равенстве алгебраической суммы моментов сил, приложенных к телу, относительно оси его вращения произведению момента инерции тела относительно этой оси на его угловое ускорение [121]: 1=1 где / - момент инерции тела относительно оси вращения; ср — угловое ускорение вращающегося тела; вращения. Для падающего дерева это уравнение примет вид: где / — момент инерции дерева относительно оси, проходящей в плоскости среза, Нм; откд.дер - суммарное значение момента создаваемого отклоняющей силой действующей на дерево (глава 2, формулы 2.7-2.21), Нм; Меал - момент создаваемый валочным приспособлением, Нм; недопил — момент сопротивления недопила, Нм. При динамическом анализе процесса валки дерева бензиномоторной пилой, с использованием валочных приспособлений, ставилась задача по определению суммарной величины отклоняющей силы действующей на дерево (рис. 3.6а), с целью коррекции траектории падения дерева в заданном направлении (рис. 3.66). Силовой расчет выполнялся с использованием дифференциального уравнения Лагранжа [45]: hi, iyh hi — главные моменты инерции дерева относительно главных осей, проходящих через точку вращения дерева; F» Fy, F2 - составляющие сил сопротивления воздушной среды. На основе этой системы дифференциальных уравнений могут рассматриваться различные задачи, связанные с перемещением деревьев при выполнении рабочих операций по заготовке древесины. Дифференциальные уравнения движения, соответствующие валки дерева при его падении под действием отклоняющей силы, можно получить из общей системы дифференциальных уравнений (3.13) с учетом условий х = у = z=0; p = if/ = 0;6=-e;M0=0;IxI= I. Дерево (рис. 3.7) при валке находится под воздействием силы тяжести G, ветровой нагрузки Ж, силы сопротивления перемычки N и сталкивающей силы Р.
Повреждаемость оставляемых на доращивание деревьев в процессе механизированной валки
Количество повреждений и характер их распределения обусловлены технологическими особенностями несплошных рубок (выборка древостоя в несколько приемов, направленный повал деревьев, повышенные требования к сохранению подроста и технике безопасности). На повреждение растущих деревьев оказывает значительное влияние квалификация вальщика и ряд показателей, характеризующих форму дерева (раздел 4.1.6), его состояние и расположение. Результаты наблюдений за повреждаемостью оставляемых на дора-щивание деревьев в процессе валки деревьев приведены в табл. 4.10. Проводя анализ табл. 4.10 можно утверждать, что при валке 2 клейменых деревьев происходит повреждение 1 оставляемого на доращивание дерева. К наиболее часто встречающимся повреждениям в результате неточной валки деревьев относится деревья с ошмыгом кроны и обломом вершины или ствола. Последствия этих повреждений будут рассмотрены далее (глава 5). 1. При несплошных рубках валка деревьев бензомоторными пилами с использованием валочных инструментов и приспособлений приводит отклонению от заданного направления валки около 15% деревьев вследствие действия отклоняющих сил и ошибок вальщика более чем на 5. 2. По данным экспериментальных исследований угла отклонения дерева от направления валки установлено, что основными факторами влияющие на точность валки, определяющими отклонение, являются: диаметр дерева в месте срезания, эксцентричность кроны, наклон ствола дерева, скорость ветра, глубина подпила и ширина недопила. Диаметр дерева в месте срезания, эксцентричность кроны, наклон ствола дерева факторы, характеризующие предмет труда, наибольшее влияние на величину угла отклонения от направления валки из которых оказывает наклон ствола. При наклоне ствола дерева в 5 угол отклонения может достигать до 21. Наиболее значимым факторов влияющим на величину угла отклонения дерева от направления валки является величина и направление ветра. При скорости ветра 5 м/с прямостоящее дерево с равномерно развитой кроной может при падении отклонится в сторону до 23 . Управлять и снижать вероятность отклонения падения дерева в направлении валки можно за счет правильно выполненных подпила и недопила, правильность выполнения которых будет определять величину угла отклонения и определять квалификацию вальщика. 3. При валке 2 деревьев, отведенных в рубку, происходит повреждение 1 оставляемого на доращивание дерева. К наиболее часто встречающимся повреждениям в результате неточной валки деревьев относится деревья с отмытом кроны (44%) и обломом вершины или ствола (28%). 4. Наличие 15% деревьев поваленных с отклонением от заданного технологией направления, снижает фактическую норму выработки при несплош-ньгх рубках на 12%, за счет затрат времени на снятие «зависших» деревьев. 5. Теоретическими и экспериментальными исследованиями обоснованы способы управляемой валки позволяющие повысить ее точность. Способы могут быть использованы при значении отклоняющего момента от 0 до 140 кНм, при этом необходимо использование гидроклина КГМ-1А и гидродомкрата ДГМ-16. При управлении падением дерева в направлении валки за счет придания клиновидной или трапециидальной формы недопилу, угол уширения одной из его стороны может составлять до 12 (КГМ-1А), 18 (ДГМ-16), что составит, при диаметрах от 20 до 100 см, от 0,02 до 3,82 см. При управлении валкой дерева за счет поворота недопила относительно заданного угла валки, угол поворота недопила может составлять до 6 (КГМ-1А) и 8 (ДГМ-16). При управлении валкой дерева по комбинированному способу угол уширения и поворота недопила может составлять 5 и 1 (КГМ-1А), 11 и 3 (ДГМ-16). Леса, являясь частью природной среды, выполняют целый ряд важнейших эколого-экономических функций. Во-первых, леса играют существенную роль в глобальных круговоротах углерода и кислорода, во многом «отвечая» за состав атмосферы и ее очищение; во-вторых, - леса оказывают важное влияние на состояние водных экосистем, регулируя водообмен; в-третьих, — леса предотвращают эрозию почвы, препятствуют образованию оврагов, оползней и наводнений; в-четвертых, — леса являются местом обитания для большинства видов растений и животных, т.е. служат естественным условием сохранения биоразнообразия на планете; в-пятых, — леса выполняют рекреационные и эстетические функции; в-шестьгх, — леса активно используются для хозяйственных целей. По имеющимся оценкам [21], «экологический доход» от использования первых пяти функций лесов превышает доход от производственной деятельности в сфере лесопользования. Тем не менее, человечество до сих пор рассматривает леса в первую очередь как источник уникального и незаменимого сырьевого ресурса. Из всего земельного фонда России 94% покрыто растительностью, 70% составляет площадь лесного фонда и 45% — площадь покрытых лесом земель. Иными словами, почти половина территории России занимают леса. Площадь российских лесов составляет примерно пятую часть лесов мира. Общие суммарные запасы древесины в России оцениваются в 81 млрд. м3, в том числе 44 млрд. м3 — спелой и перестойной древесины. При общей вырубке чуть больше 150 млн. м в год ежегодный прирост составляет 830 млн. м [4].
