Совершенствование технологического процесса первичной транспортировки древесины в горных условиях лесозаготовок Бондаренко Алексей Витальевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Состояние вопроса, цель и задачи исследований 14

1.1 Особенности выполнения транспортировки древесины в горных условиях местности 14

1.2 Анализ технологий и технических средств для первичной транспортировки в условиях горной местности 26

1.2.1 Классификация канатных установок 28

1.2.2 Схемы освоения горных лесных массивов различными вариантами трелевочно-транспортных систем 40

1.3 Первичный транспорт древесины – как объект моделирования и управления процессом 47

1.4 Выводы, цели и задачи исследований 53

2 Теоретические исследования процесса первичной транспортировки древесины в условиях горной местности 57

2.1 Обоснование технологического процесса первичной транспортировки древесины в горных условиях лесозаготовок 59

2.2 Анализ факторов влияния на процесс первичной транспортировки древесины 64

2.3 Структурная схема имитационной модели процесса первичной транспортировки древесины. 65

2.4 Разработка статистических моделей пространственной структуры расположения деревьев и их таксационных характеристик 67

2.5 Разработка математических моделей продолжительности функционирования мобильной канатной установки и трелевочных тракторов в горной местности 75

2.6 Оценка эффективности фунционирования технических средств на первичной транспортировке древесины в горной местности 87

2.7 Выводы по разделу. 90

3 Программа и методика экспериментальных исследований 93

3.1 Программа экспериментальных исследований 93

3.2 Методика проведения эксперимента для установления зависимости повреждаемости деревьев с основными факторами влияния при выполнении подтрелевки на несплошных рубках 94

3.3 Исследование влияния местности на производственные показатели трелевочных тракторов 103

3.4 Производственная проверка полученных моделей в ходе теоретических и экспериментальных исследований 105

3.5 Вычислительный эксперимент для определения характера и степени влияния факторов на критерии эффективности первичной транспортировки древесины в горной местности 106

3.6 Оптимизация процесса первичной транспортировки в условиях горной местности 110

3.7 Выводы по разделу 111

4 Результаты и анализ экспериментальных исследований113

4.1 Обработка данных хронометражных наблюдений для имитационного моделирования продолжительности первичной транспортировки 113

4.2 Анализ влияния рельефа местности на производственные показатели трелевочных тракторов 120

4.3 Результаты проведения эксперимента по установлению зависимости повреждаемости деревьев с основными факторами влияния при выполнении подтрелевки на несплошных рубках 125

4.4 Оценка характера и степени влияния основных природно-производственных факторов на показатели выполнения первичной транспортировки древесины 141 4.5 Результаты оптимизации процесса первичной транспортировки древесины в условиях горной местности 145

4.6 Выводы по разделу 148

5 Экономическое обоснование технологии первичной транспортировки древесины в горной местности 150

5.1 Выбор технологического процесса первичной транспортировки древесины c учетом лесоводственно-экологических требований 150

5.2 Результаты технико-экономических расчетов по обоснованию технологии первичной транспортировки древесины 153

5.3 Выводы по разделу 162

Основные выводы и рекомендации 164

Библиографический список 167

• Первичный транспорт древесины – как объект моделирования и управления процессом
• Разработка статистических моделей пространственной структуры расположения деревьев и их таксационных характеристик
• Методика проведения эксперимента для установления зависимости повреждаемости деревьев с основными факторами влияния при выполнении подтрелевки на несплошных рубках
• Анализ влияния рельефа местности на производственные показатели трелевочных тракторов

Введение к работе

Актуальность исследования. В настоящее время до 40 % всей лесопокрытой площади нашей страны (Дальний Восток, Сибирь, Урал, север Европейской части страны и Северный Кавказ) занимают горные леса. Они имеют большое народнохозяйственное значение, так как в них сосредоточено около 30 % (28,9 млрд. м³) всего запаса древесины России, причем более половины – это спелый лес ценнейших лиственных и хвойных пород.

Заготовка древесины в горных условиях отличается по многим технико-технологическим и организационным вопросам. Это связно в первую очередь с рельефом местности, существенно снижающим производительность работ на основных операциях технологического процесса и даже ограничивающим использование некоторых видов техники при их выполнении. Кроме того, горные склоны повышают энергоемкость и трудоемкость производства. Вместе с тем, высокая экологическая чувствительность горных лесов предполагает использование средощадящих подходов при проектировании лесосечных работ. В результате стоимость лесозаготовок растет.

Особенно резко увеличиваются затраты на первичной транспортировке древесины у трелевочных тракторов и машин, которые к тому же наносят значительные повреждения окружающей среде, а также ограничены в использовании крутизной склона в 15…20 градусов. Канатные установки в большинстве своем позволяют осваивать участки с большими уклонами местности (до 30 градусов), процент и степень повреждения всех компонентов леса в результате значительно ниже, при этом мобильные самоходные установки не уступают существенно большинству тракторов и по производительности. Кроме этого, учитывая истощенность лесов на территориях с пологими (10 градусов) и покатыми (11…20 градусов) склонами местности, а также наличие в большинстве предприятий исключительно тракторной трелевочной техники, использование мобильных самоходных канатных установок на первичной транспортировке древесины может стать существенным и перспективным направлением развития лесозаготовок.

Для принятия научно-обоснованных решений в вопросе выбора эффективного варианта первичной транспортировки древесины в горной местности требуется разработка единого критерия, отражающего одновременно экономический результат и экологические последствия выполнения операции. Кроме того, необходимы достоверные результаты эксплуатации сравниваемой техники в конкретных природно-производственных условиях, что невозможно из-за разнообразия рельефных и таксационных характеристик каждой лесосеки. В этой связи необходимы глубокие теоретические и экспериментальные исследования по созданию математического аппарата для адекватного прогнозирования эколого-экономического результата первичной транспортировки древесины в различных условиях производства и природной среды сравниваемыми альтернативами, а также для оптимизации трелевочно-транспортного процесса.

В этой связи обоснование эффективного варианта первичной транспортировки древесины в условиях горной местности с учетом оценки экологических последствий функционирования применяемой техники на основе современных методов моделирования, имитации и оптимизации процесса в меняющихся условиях производства и природной среды представляет собой большой научный и практический интерес.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» «Совершенствование технологий, машин и оборудования лесозаготовок и лесопереработки» и темой «Разработка компьютеризированной системы принятия эффективных решений при проектировании технологического процесса лесосечных работ» (№ гос. Регистрации 01201168732), а также в рамках хоздоговорной тематики «Обоснование эффективных средощадящих технологий разработки лесосек в условиях горной местности» (договор №32/13 от 1.04.2013).

Степень разработанности темы.

Вопросам исследования технологий и показателей выполнения первичной транспортировки древесины посвящены работы ведущих советских и российских исследователей, среди которых: Кочегарова В.Г., Алябьева В.И., Редькина А.К., Бартенева И.М., Ширнина Ю.А., Пошарникова Ф.В., Курьянова В.К., Петровского В.С., Андреева В.Н., Барановского В.А., Сюнева В.С., Якимовича С.Б., Анисимова Г.Н., Сушкова С.И., Григорьева И.В., Макуева В.А., Афоничева Д.Н., Верхова И.Ф., Герасимова Ю.Ю., Мазуркина П.М., Меньшикова В.Н., Матюшкина В.З., Герца Э.Ф., Заикина А.Н., Коротяева Л.В., Онучина Е.М., Кушляева В.Ф., Муратшина В.М., Прохорова В.Б., Макарова Ф.Н., Рябухина П.Б., Шестакова Я.И., Некрасова Р.М., Литвинчука Н.Н., Федоренчика А.С., Иевиня И.К. и других ученых

Проведенный анализ этих работ свидетельствует о том, что эффективность проведения рубок, особенно в горных условиях, в значительной степени определяют показатели выполнения первичного транспорта леса, являющегося наиболее затратным, трудоемким и энергоемким процессом на лесосеке, наносящим серьезный экологический ущерб окружающей среде. При этом выбор технологии, техники, схем ее работы, способов, параметров и режимов процесса первичной транспортировки древесины в настоящее время ведется без системно и не имеет достаточного научного обоснования. В связи с этим, представляется перспективным проведение исследований по совершенствованию первичной транспортировки, как по экономической эффективности, так и по экологическим последствиям.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является

совершенствование технологического процесса первичной транспортировки

древесины в горных условиях лесозаготовок с учетом повреждаемости насаждения.

Для достижения поставленной цели определены следующие основные задачи исследования:

1. разработать обобщенный критерий оценки процесса первичной транспортировки древесины учитывающий экономическую эффективность и технико-технологическое воздействие на окружающую среду;

2. разработать математические модели функционирования мобильной канатной установки отдельно и совместно с трелевочными тракторами по схемам, учитывающим особенности горных лесозаготовок;

3. установить зависимость повреждаемости оставляемых на лесосеке стволов деревьев от густоты насаждения, расстояния подтрелевки и интенсивности рубки при выполнении первичной транспортировки древесины;

4. разработать имитационную модель процесса первичной транспортировки древесины для различных природно-производственных условий горных лесозаготовок, обеспечивающую обоснованный выбор технологий, технических средств и параметров процесса;

5. провести апробацию и дать технико-экономическую оценку результатов исследований в производственных условиях.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются процессы первичной транспортировки древесины в горной местности, трелевочно-транспортные системы, лесная среда. Предметом исследования являются модели функционирования трелевочно-транспортных систем, параметры первичной транспортировки древесины и критерии эффективности функционирования трелевочно-транспортных систем в горных условиях.

Научная новизна результатов работы.

1) Разработан обобщенный критерий эффективности для обоснования

технологии первичной транспортировки древесины в горных условиях лесозаготовок, отличающийся оценкой экономической эффективности принятой технологии и ее воздействия на окружающую среду.

2. Разработаны математические модели функционирования мобильной канатной установки отдельно и совместно с трелевочными тракторами, отличающиеся учетом индивидуальных особенностей горных лесозаготовок при прогнозировании экономической эффективности в составе обобщенного критерия оценки технологии первичной транспортировки древесины.

3. Установлена зависимость повреждаемости оставляемых на лесосеке стволов деревьев при выполнении первичной транспортировки древесины, отличающаяся учетом густоты насаждения, расстояния подтрелевки лесоматериалов и интенсивности рубки.

4. Разработана имитационная модель процесса первичной транспортировки, отличающаяся возможностью выбора оптимальных технологий, технических средств и параметров процесса первичной транспортировки древесины в различных природно-производственных условиях горных лесозаготовок.

5. Проведена апробация технологии первичной транспортировки древесины, отличающаяся учетом природно-производственных условий горных лесозаготовок.

Теоретическая значимость работы состоит в развитии теории, методов и моделей лесосечных работ, обосновании обобщенного критерия эффективности, учитывающего экономико-экологические факторы, в разработанной имитационной модели процесса первичной транспортировки древесины для различных природно-производственных условиях горных лесозаготовок.

Практическая значимость работы заключается в разработке рекомендаций для повышения эффективности горных лесозаготовок на основе совершенствования технологии первичной транспортировки древесины, позволяющих уменьшить производственные затраты и повреждаемость деревьев, травяного покрова и почвогрунта лесосеки; разработке имитационной модели процесса первичной транспортировки древесины, позволяющей осуществлять направленный поиск оптимальных параметров и режимов функционирования трелевочно-транспортной техники в различных программах рубок, характеристиках древостоя, конфигурациях и рельефах разрабатываемых лесосек; разработке программного обеспечения, позволяющего на стадии технологического проектирования производить научно-обоснованный выбор технологии первичной транспортировки древесины, технических средств для ее реализации и схем их функционирования в меняющихся природно-производственных условиях. Результаты работы внедрены и используются в Джубгском лесничестве (Туапсинский район, Краснодарский край), а также в учебном процессе при выполнении курсового проекта по дисциплине «Технология и машины лесосечных работ» и выпускных квалификационных работ по направлению подготовки 35.03.02 Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Полученные научные результаты соответствуют п. 5 «Обоснование и

оптимизация параметров и режимов работы лесозаготовительных и

лесохозяйственных машин», п. 6 «Выбор технологий, оптимизация параметров процессов с учетом воздействия на смежные производственные процессы и окружающую среду», паспорта специальности 05.21.01. – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования.

Теоретические исследования были проведены с использованием методов
системного анализа, математического и имитационного моделирования, исследования
операций, динамического и линейного программирования. Проведение

экспериментальных исследований осуществлялось с применением теории

планирования и методики обработки экспериментальных данных.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) обобщенный критерий эффективности процесса первичной транспортировки, позволяющий учитывать экономическую эффективность и технико-технологическое воздействие на окружающую среду;

6. математические модели функционирования мобильной канатной установки отдельно и совместно с трелевочными тракторами, позволяющие учитывать особенности горных лесозаготовок;

7. зависимость повреждаемости оставляемых на лесосеке стволов деревьев при выполнении первичной транспортировки древесины, позволяющая установить степень воздействия на окружающую среду принятой технологи;

8. имитационная модель процесса первичной транспортировки древесины для различных природно-производственных условий горных лесозаготовок, позволяющая проводить обоснованный выбор технологий, технических средств и параметров процесса первичной транспортировки древесины;

5) технология первичной транспортировки древесины, позволяющая снизить
степень воздействия на окружающую среду и повысить экономическую эффектив
ность процесса лесозаготовок в горных условия.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена использованием системного подхода в исследовании технологии первичной транспортировки с применением признанных научных методов (теории вероятности и математической статистики, имитационного моделирования, объектно-ориентированного анализа, планирования многофакторного эксперимента), а также сходимостью экспериментальных и теоретических данных, апробацией результатов исследований на лесозаготовительных предприятиях.

Диссертационная работа выполнена на кафедре лесной промышленности,
метрологии, стандартизации и сертификации ФГБОУ ВО «Воронежский

государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова» в 2010-2015 гг.

Результаты исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на: ежегодных научных конференциях научно-педагогических работников и аспирантов Воронежского государственного лесотехнического университета в 2009-2015 г.; международной научно-практической конференции «I Европейский лесопромышленный форум молодежи» в 2014 г. (г. Воронеж); международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы фундаментальных исследований воспроизводства и переработки природных полимеров» в 2014 г. (г. Воронеж); международной научно-технической конференции «Современные материалы и технологии их создания» в 2014 г. (г. Воронеж); международной научно-технической конференции «Техника и технологии – мост в будущее» в 2014 г. (г. Воронеж); международной научно-технической конференции «Обеспечение экологической безопасности путем создания наукоемких технических средств и технологий в лесном комплексе» в 2015 г. (г. Воронеж); международной научно-технической конференции «Молоджный форум: технические и математические науки» в 2015 г. (г. Воронеж).

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, планировании и проведении экспериментов, выполнении вычислительных операций, анализе результатов работы, подготовке основных публикаций по теме исследований.

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 24 научных статьи, включая 4 научные статьи в изданиях рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 2 научные статьи без соавторов. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (№ гос. Регистрации 2012614913).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка и приложений. Основное содержание работы изложено на 201 странице машинописного текста, из них 179 страниц основного текста и 22 страницы приложений; диссертация иллюстрирована 43 рисунками и 20 таблицами; библиографический список содержит 124 наименования используемых источников.

Первичный транспорт древесины – как объект моделирования и управления процессом

В настоящее время в России горные леса занимают около 42 % всей лесопокрытой площади, при этом доля запаса древесины в горной местности составляет около 30 % от общего по России, причем около 70 % - это спелая и перестойная древесина.

Лесозаготовки в горных районах отличаются более высокой стоимостью их проведения, что обусловлено сложными и опасными условиями работ из-за рельефа местности. Значительная доля производственных затрат при освоении лесных массивов в горных районах приходятся на первичный транспорт и вывозку леса. Поэтому вопрос обоснования и разработки наиболее экономичных схем транспортного освоения горных лесных массивов постоянно являтся актуальным при совершенствовании производственной деятельности лесозаготовительных предприятий.

При планировании оптимальной транспортной сети горных лесов нельзя ограничиваться каким-либо одним или несколькими общими характеристиками горной местности. Необходим детальный анализ крутизны, протяженности и направленности склонов, наличия оврагов, ущелий, скал и других препятствий, а также конфигурации (в каждом конкретном случае непредсказуемо изменяясь по естественным рубежам -хребту, балке, речке и т.п.) и размеров разрабатываемого лесного участка. Одновременно с этим важно учитывать способ и интенсивность рубки, лесотаксационные показатели древостоев (состав, запас, густота и полнота насаждения, объемы предмета труда), вид транспортируемой древесины; климатические и почвенные условия местности, а также требования лесоводственно-экологического характера.

Все факторы, влияющие на процесс транспортировки в горной местности, можно характеризовать определенными показателями. С тем чтобы легче было учесть их влияние, целесообразно объединить различные участки лесной площади с близкими по значению показателями в определенные группы, т.е. классифицировать их. Вопросы классификации местности были предметом обсуждения НИН на международных лесных конгрессах и симпозиумах. Изучением этих вопросов занимались и занимаются ученые и организации, как в России, так и в ряде зарубежных стран. Известны работы, выполненные в Норвегии (Самсет, Стройнее, Вик), Швеции (Сегбаден, Анессон, Гедбринг), Финляндии (Путкисто), ФРГ (Штейнлин), Австрии (Сцелесс), Индии (Астрна), Болгарии (Матеев, Статков), Чехословакии (Рожко) и др. [152, 153, 154]. В нашей стране вопросами классификации лесосек занимались УкрНИИМОД, Гипролестранс, ЦНИИМЭ, его Кавказский и Иркутский филиалы, СибНИИЛП и др.

Проф. И. Самсет [63, 156] предложил так называемую описательную классификацию условий рельефа, включающую описание макро- и микрорельефа, а также функциональную классификацию условий рельефа, учитывающую технологические процессы лесозаготовок. Классификация довольно подробная и учитывает топографию местности, характер профиля склонов (рис.1.1), поверхность, крутизну и протяженность склонов, размеры деревьев и другие факторы. Распределение по крутизне горных склонов обозначено следующим образом: до 20%, от 20 до 33%, от 33 до 50%, более 50%; по протяженности: до 100 м, 100…300 м, 300…700 м, 700…1500 м и более 1500 м. а - ровные склоны; b - чашеобразные склоны; с - закрытые долины; d -конусообразные склоны; a1 - выпуклый профиль вниз по склону; a2 -выпуклый профиль вверх по склону; a3 - выпуклый профиль вершины; b1 -вогнутый профиль вниз по склону; b1-вогнутый профиль вверх по склону; c1 - прямой профиль вниз по склону; c2 -прямой профиль вверх по склону Рисунок 1.1 – Топография местности и профиль склонов

В работах Сегбадена, Штейнлина, Сцелесса [63, 155, 157] рельеф местности классифицируется по уклонам. Так, Сегбаден разделяет местность на шесть групп: 1-я 0…5%; 2-я 5…10; 3-я 10…20; 4-я 20…33; 5-я 33…50 и 6 я более 50%. Штейнлин дает несколько иную классификацию уклонов: 1-я 0…5%; 2-я 5…25; 3-я 25…40; 4-я 40…60 и 5-я более 60%. Наибольший интерес представляет работа Сцелесса (табл.1.1), который дал классификацию местности с учетом некоторых особенностей технологического процесса при трелевке леса. Сцелесс разделяет всю горную местность на две группы: горные области; холмы и долины. В каждой группе выделяются зоны и подзоны, в которых указываются характер местности, высота над уровнем моря и уклоны. Таблица 1.1 – Классификация местности по Сцелессу

Группа Зона Часть зоны Характер местности Уклон, % Высота над уровнем моря, м Горные области Высокогорь е Скалы Гладкие, ровные, сильно пересеченные, обрывистые 80 Более 1200 Умеренные скалы Гладкие, ровные, пересеченные, обрывистые 40-80 Более 1200 Плоскогорье Умеренно холмистые, обрывистые 10-15 Горы и предгорья Умеренные скалы Гладкие, обрывистые 40-80 600—1200 Скалы То же 80 Плоскогорье Умеренно холмистые, обрывистые 10-15 Холмы и долины Холмы Умеренные склоны Гладкие, изборожденные 10-20 200-600 Обрывистые То же 20-40 Плоскогорье Умеренно холмистые, ровные 10-15 Долина - Ровные, неровные 0-10 0-200

Специалисты НИИ лесного хозяйства в г. Зволине (Чехия), взяв за основу классификацию горной местности, предложенную Сцелессом, дополнили ее некоторыми важными показателями [63], учитывающими условия и особенности страны. В результате горная местность классифицируется по таким показателям: крутизне склона - 10; 20; 40; 60% и более; длине склона - до 300; 300…500; 500…1000; 1000…1500; 1500…2000; более 2000 м; местности - ровная, каменистая, скалистая; грунтам - самого различного гранулометрического состава - от скальных пород до плывунов; возрасту насаждений - до 20; 20…40; 40…60; 60…80; 80…100; 100…120 лет; типу насаждения - лиственные, хвойные, смешанные; способу рубок -сплошные, выборочные; расстояния трелевки - до 500; 500…1000; 1000…1500; 1500…2000, более 2000 м. Классификацию, разработанную чехословацкими учеными, следует признать наиболее удачной, так как она более полно учитывает как рельефные и почвенно-грунтовые, так и лесотаксационные и технологические признаки, характеризующие природно-производственные условия лесозаготовок.

Обобщая большое разнообразие существующих классификаций горных лесных массивов в зависимости от характера (гладкие, ровные, сильнопересеченные, обрывистые, умеренно холмистые и т.д.), уклона местности (различные градации), ее протяженности; вида, плотности и состояния лесодорожной сети; степени и средств механизации трелевки леса можно выделить следующие типы: ленточный неразветвленный, веерообразный, малый закрытый высокогорный, долинный разветвленный, долинный односторонний, закрытый долинный (рис. 1.2).

Разработка статистических моделей пространственной структуры расположения деревьев и их таксационных характеристик

Представленные технологические схемы функционирования мобильной канатной установки отдельно и совместно с трелевочным трактором в данной работе будут исследоваться на прямых склонах, когда погрузочный пункт расположен непосредственно у его основания, на несплошной рубке при первичной транспортировке хлыстов и сортиментов.

Основными достоинствами рассматриваемых схем в сравнении с реализуемым сегодня самым средоразрушительным вариантом на базе трелевочного трактора, безусловно являются: возможность разработки более крутых склонов до 21…35 градусов; меньшая энергоемкость процесса спуска древесины с горного склона и порожнего подъема технологического оборудования (сопротивление движению каретки по несущему канату существенно ниже, чем сопротивление движению трактора по земле; собственный вес движущегося оборудования канатных установок не превышает 0,1 массы перемещаемой древесины, а у трактора собственный вес достаточно высок и достигает 0,8…1,3 массы перемещаемой древесины); кратчайшая траектория спуска древесины, оказывающая одновременно положительное влияние на производительность работ и долю технологических площадей; меньшая степень загрязнения древесины песком и грязью; устранение выноса большого объема почвогрунта со склона при спуске древесины; и конечно меньшее технико-технологическое воздействие на все основные компоненты леса.

При этом второй, комбинированный вариант (мобильная канатная установка + трелевочный трактор) первичной транспортировки древесины, если позволяет крутизна склона, за счет уменьшения в общей продолжительности процесса доли монтажно-демонтажных работ (канатная установка устанавливается на одну технологическую позицию), а также бесперебойной доставки древесины к трассе канатной установки трелевочным трактором может быть более производительным, и при этом оставлять после себя достаточную эрозионную устойчивость к поверхностному стоку из-за горизонтального устройства пасечных волоков подкрепленных порубочными остатками.

При обосновании наилучшего технико-технологического варианта первичной транспортировки древесины применительно к горным условиям лесозаготовок в нашей работе была поставлена задача комплексной оценки экономической эффективности и лесоводственно-экологических последствий.

Основные лесоводственно-экологические требования к горным лесозаготовкам сформулированы правилами рубок по следующим позициям: валка деревьев должна быть индивидуально направленной с целью максимального сохранения подроста; обрезка сучьев должна производится на месте валки деревьев; вытягивание хлыстов (полухлыстов или сортиментов) к волокам должно осуществляться в направлении повала без разворота внутри пасеки; величина минерализованной поверхности почвы не должна превышать 15%; число поврежденных деревьев не должно превышать 12%.

Подробно изучить факторы, влияющие на использование трелевочно-транспортных систем машин и технологий первичной транспортировки древесины, позволил анализ литературных источников [35, 41, 44, 77]. Это в первую очередь рельеф, почвенно-грунтовые условия, таксационная характеристика насаждения, геометрические характеристики деревьев. Основным комплексным показателем фактора почвенно-грунтовых условий является - несущая способность грунтов. Данный показатель характеризует устойчивость почвы лесного масива к воздействию от используемого технического средства или предмета труда. В случае превышения допустимой нормы давления на грунт от трелевочно-транспортной системы почва разрушается и в результате эрозии наблюдаетя непоправимый экологический ущерб. Показатель фактора рельефа местности – крутизна склона, определяющая уровень безопасности труда на первичной транспортировке. Показатель фактора геометрических характеристик предмета труда – его объем, определяющий полезную нагрузку на трелевочно транспортный процесс (табл. 2.2).

Геометрические характеристики предметов труда Объем предмета труда м3 полезная нагрузка Таксационнаяхарактеристиканасаждения Запас древесины м3/га Количество приемов формирования Для обоснования эффективной технологии первичной транспортировки древесины требуются достоверные значения показателей сравниваемых вариантов ее реализации в конкретных природно-производственных условиях. В горной местности рельеф разрабатываемых лесосек меняется самым не предсказуемым образом, оказывая влияние на схему их освоения, конфигурацию, местоположение и протяженность транспортных путей. В такой ситуации лесоэксплуатационной и производственной неопределенности сравнить работу различных технических средств целесообразно на основе современных методов математического моделирования, позволяющих с достаточной степенью адекватности прогнозировать результаты функционирования различных вариантов техники и оптимизировать технико-технологические параметры ее работы.

При разработке имитационной модели первичной транспортировки древесины в горной местности предлагается использовать структуру состояющую из следующих взаимосвязанных блоков-элементов: программы рубок, конфигурации разрабатываемой лесосеки, рельефа местности разрабатываемого лесного массива, параметров древостоя, типа трелевочно-транспортной системы, параметров освоения лесосеки, параметров работы трелевочно-транспортной системы, технико-экономического результата, лесоводственно-экологических последствий, обобщенного критерия эффективности первичной транспортировки древесины (рис. 2.3). В блоке-элементе «Программа рубок» задаются основные параметры выполняемой рубки: количество приемов и интенсивность рубки.

В блоке-элементе «Конфигурация лесосеки» проводится координатная привязка горизонтальных контуров разрабатываемой лесосеки, и задаются координаты наиболее близко расположенных транспортных путей (по материалам отвода лесного участка в рубку). В блоке-элементе «Рельеф местности» задаются характеристика и направление склона разрабатываемой лесосеки. В блоке-элементе «Параметры древостоя» проводиться моделирование пространственной структуры расположения деревьев на лесосеке, приводится их таксационная характеристика. В блоке-элементе «Тип трелевочно-транспортной системы» производится выбор вариантов транспортировки древесины с целью последующего их сравненения, в зависимости от заданных параметров разрабатываемой лесосеки.

Методика проведения эксперимента для установления зависимости повреждаемости деревьев с основными факторами влияния при выполнении подтрелевки на несплошных рубках

В связи с этим, для изучения степени влияния рельефа местности на основные показатели работы трелевочных тракторов были подобраны четыре опытные лесосеки в Джубгском лесничестве (Туапскинский район, Краснодарский край) с примерно одинаковыми таксационными характеристиками, но с различными уклонами (рис. 3.2). Опытные лесосеки были разделены на несколько делянок с таким расчетом, чтобы при сравнительно одинаковом расстоянии трелевки и примерно сопоставимых таксационных данных делянок имели различную величину уклонов. Опытные лесосеки предполагалось разрабатывать летом и в зимний период тракторами ТДТ-55А и ТЛТ-100 комлями вперед и за вершины. а - автомобильная дорога; б - погрузочная площадка; в - магистральный трелевочный волок; г - пасечный болок Производственная проверка полученных моделей в ходе теоретических и экспериментальных исследований

После производственных наблюдений производится сбор и обработка в всей необходимой информации по элементам циклового времени функционирования исследуемого варианта техники. При этом разработанные имитационные модели проверяются на адекватность. С данной целью в конкретных природно-производственных условиях планируется получить достоверные данные о производительности самоходной канатной установки, времени цикла ее работы.

В дальнейшем полученные результаты натурных исследований сопоставляются с данными, полученными при имитационном моделировании при идентичных природно-производственных условиях. Адекватность разработанных моделей подтверждается следующим условием: имит. 11 набл. Т" 11 и 8 = П 100 % 5%, (3.24) набл. где IIимит. - теоретическая оценка производительности исследуемого трелевочного средства, полученная по результатам обработки выборки компьютерного эксперимента; Пнабл. - оценка математического ожидания производительности исследуемого трелевочного средства, полученная по результатам обработки выборки натурного эксперимента;

Вычислительный эксперимент для определения характера и степени влияния факторов на критерии эффективности первичной транспортировки древесины в горной местности Проведение вычислительного эксперимента по определению характера и степени влияния различных факторов на исследуемые критерии эффективности первичной транспортировки древесины в горной местности проводится на разработанной имитационной модели с целью анализа процесса, прогнозирования его показателей в меняющихся условиях производства и природной среды, а также определения возможности обоснования оптимального режима и технико-технологических параметров функционирования трелевочно-транспортной техники.

Входные регулируемые факторы активного вычислительного эксперимента были определены в две группы. Первую группу факторов составляют параметры древостоя и условия работы: объем хлыста - Уш; запас древесины на 1 га - qza; средняя длина предмета труда - 1пт; угол уклона местности а, град. Вторую группу факторов образуют параметры технологии разработки делянки, а также параметры выполнения операции первичной транспортировки: интенсивность изреживания насаждения - кизр; длина расчетного участка - А; ширина пасеки - А; протяженность трассы канатной установки - LmKy; объем перемещаемой пачки предметов труда - Q ; коэф. использования расчетной рейсовой нагрузки - к ; ширина волока -ъ ; угол укладки предмета труда относительно волока, ( /3), град.

Выходными факторами (откликами) вычислительного эксперимента являются: общее время, затрачиваемое самоходной канатной установкой на разработку лесосеки - Т; часовая производительность канатной установки Пч; общие затраты на первичную транспортировку - С1; показатель повреждаемости стволовой части оставляемых деревьев - С2; показатель повреждаемости травяного покрова (лесной подстилки) лесосеки - С3; показатель повреждаемости почвогрунта лесосеки - С4.

Исходя из критерия практической применимости результатов исследования, определен диапазон варьирования 12 количественных входных факторов, который представленный в табл. 3.3 .

При вычислении отдельных комплексных показателей сложностей с методическим и математеческим аппаратом, как правило, не возникает. Иначе обстоит дело с определением обобщенного показателя в многоцелевом решении. Здесь основные сложности связаны с ранжированием, что следует считать наилучшей альтернативой в задаче с несколькими целевыми функциями, которые противоречивы и достигают экстремального значения в различных точках множества альтернатив. На сегодняшний день не существует единого мнения, поэтому оценка функционирования системы в случае векторного показателя качества является одной из главных проблем в теории принятия решений и исследования операций.

Для возможности принятия оптимального решения в данном случае предлагается обобщенный критерий качества Собщ на основе использования процедур принятия многокритериальных решений путем свертывания целей. При этом с целью повышения достоверности информации, необходимой для принятия оптимального решения, обобщение критерия предлагается выполнять тремя различными методами: методом равномерной оптимальности - СА, методом свертывания целей (Геймера) - СВ и методом справедливого компромисса - СС:

Анализ влияния рельефа местности на производственные показатели трелевочных тракторов

В соответствии с целью диссертационной работы на основе проведенного в п. 4.4 анализа характера и степени влияния различных факторов природно-производственной среды на исследуемые критерии эффективности первичной транспортировки древесины представляется целесообразным в обозначенной задаче многокритериальной оптимизации выделить в качестве варьируемых факторов следующие технологические параметры: 1. х2 ширина пасеки д, м;

Результаты расчета поставленной многокритериальной задачи методом сканирования представлены в приложении. Графическая иллюстрация результатов вычислительного эксперимента по оптимизации технологических параметров исследуемой технологии первичной транспортировки представлена на рис. 4.14

Для реализации разработанной имитационной модели процесса первичной транспортировки древесин в горной местности исследуемыми вариантами технических средств (ТДТ-55А, МЛ-43А и МЛ-43А +ТЛТ-100) осуществлен сбор и обработка всех необходимых данных по составляющим продолжительности процесса, а также рейсовым нагрузкам трелевочно-транспортных систем.

Для прогнозирования в процессе подтрелевки древесины при проведении несплошых рубок показателя повреждаемости оставляемых деревьев на лесосеке в зависимости от густоты, расстояния подтрелевки и интенсивности лесопользования С2 = f(N,ln,k ) в ходе проведения вычислительного многофакторного эксперимента на ПЭВМ получено регрессионное уравнение: С2 = -0,085153- 0,000294 N+ 0,14148161п +4,6392857 -0,00033 \Nln + + 0,0167399Nкизр -0,6738061п кизр + 0,009938N 1п кизр.

Достоверность представленной регрессионной модели, а значит и предлагаемых статистических моделей пространственной структуры расположения деревьев с индивидуальными характеристиками на лесосеках различных конфигураций была подтверждена в ходе натурного производственного эксперимента (с погрешностью 5% при уклоне до 8 градусов и 11 % при уклоне до 15 градусов), в связи, с чем была рекомендована к использованию внутри обобщенного критерия эффективности процесса первичной транспортировки.

.Для изучения характера и степени влияния различных факторов производства и природной среды на все предложенные показатели оценки эффективности первичной транспортировки древесины проведен вычислительный эксперимент на ПЭВМ, в результате которого для выполнения оптимизации процесса были обоснованы в качестве входных варьируемых факторов следующие техникотехнологические параметры, а также найдены их оптимальные значения: А = 40 м, кизр = 0,2, р = 40 град.

На основе полученной в ходе теоретических и экспериментальных исследований имитационной модели первичной транспортировки древесины в горной местности разработано программное обеспечение (язык программирование Delphi) для автоматизированного выбора с помощью ПЭВМ на стадии технологического проектирования эффективного варианта трелевочно транспортной системы одновременно с экономических и лесоводственно-экологических позиций.

Выбор технологического процесса первичной транспортировки древесины c учетом лесоводственно-экологических требований Проведенные теоретические и экспериментальные исследования по теме диссертации, позволяют сформулировать ряд положений и рекомендаций для научно-обоснованного выбора эффективной технологии первичной транспортировки древесины в горной местности.

Эффективное лесопользование в горной местности предполагает строгое соблюдение лесоводственно-экологических требований при выполнении всех операций на заготовке древесины.

Основные лесоводственно-экологические требования к горным лесозаготовкам сформулированы правилами рубок по следующим позициям: валка деревьев должна быть индивидуально направленной с целью максимального сохранения подроста; обрезка сучьев должна производится на месте валки деревьев; вытягивание хлыстов (полухлыстов или сортиментов) к волокам должно осуществляться в направлении повала без разворота внутри пасеки; величина минерализованной поверхности почвы не должна превышать 15%; число поврежденных деревьев не должно превышать 12%. 3. Наибольший ущерб окружающей среде наблюдается в процессе первичной транспортировки древесины. До настоящего момента степень негативных лесоводственно-экологических последствий можно было оценить только после использования конкретной технологии, системы машин, типа и марок технических средств, способа и схем выполнения процесса. В результате проведенных исследований появилась возможность предварительного прогнозирования уровня повреждаемости деревьев в меняющихся лесоэксплуатационных условиях на основе имитационного моделирования, а также оптимизации некоторых лесоводственных(нз ) и технико-технологических (А, 6е,/йт,/?) параметров перед экономическим обоснованием технологии первичной транспортировки древесины.

В заданных природно-производственных условиях Джубгского лесничества фв = 5 м, qsa = 200 м3/ га, Vm = 0,7 м3) была исследована работа мобильной канатной установки отдельно (МЛ-43А) и совместно с трелевочным трактором (МЛ-43А+ТЛТ-100) на несплошных рубках по хлыстовой и сортиментной технологии. Результаты имитационного моделирования показали рост повреждаемости деревьев при увеличении ширины пасеки А, интенсивности рубки к и уменьшении угла укладки дерева относительно трелевочного волока

Р. При этом были определены области их значений (рис. 5.1, 5.2) в рамках полученного необходимого уровня повреждаемости по сортиментной и хлыстовой технологиям. Так, в первом случае при минимальных значениях /3 = 20 и к =0,2 ширина пасеки ограничена А = 30... 39,1 м соответствующим уровнем повреждаемости С2 =9,53...12%, а при максимальных (/? = 40 и ш/) = 0,65) ширина пасеки может изменяться только в пределах А = 30...30,6ж при уровне повреждаемости - С2 =11,62...12%. Значения /? = 40 и = 0,2 позволяют разрабатывать пасеку А = 30... 70 м с показателем повреждаемости С, =3,58...11,05%. Во втором случае при минимальных значениях /3 = 20 и кшр=0,2 ширина пасеки ограничена А = 30...49 м соответствующим уровнем повреждаемости С2 = 5,83...12 %, а при максимальных (/? = 40 и кш =0,8) ширина пасеки может изменяться в пределах А = 30...47,3 м при уровне повреждаемости -С2 = 7,36...12%. Значения /? = 40 и = 0,2 позволяют разрабатывать пасеку А = 30...70 м с показателем повреждаемости С2 = 1,71...7,55 %.