Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора технических наук

Обоснование технологии и оборудования для освоения и переработки древесины прибрежной зоны и ложа водохранилищ

Иванов Виктор Александрович

05.21.01. - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Санкт-Петербург - 2008

Работа выполнена на кафедре технологии лесозаготовительных производств Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С.М. Кирова.

Научный консультант - доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ Патякин Василий Иванович, СПб ГЛТА.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Овчинников Михаил Михайлович, СПб ГЛТА;

доктор технических наук, профессор Курьянов Виктор Кузьмич, ВГЛТА;

доктор технических наук, профессор Герц Эдуард Федорович, УГЛТУ.

Ведущая организация - Карельский научно-исследовательский институт лесопромышленного комплекса (КарНИИЛПК).

Защита диссертации состоится «23» октября 2008 г. на заседании диссертационного Совета Д.212.220.03 при Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М. Кирова /194021, Санкт-Петербург, Институтский пер. 5, главное здание, зал заседаний/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан «__» мая 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук, профессор Г.М. Анисимов.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Строительство и эксплуатация крупных гидроэлектростанций Ангарского каскада: Иркутской, Братской и Усть-Илимской и образованных при них больших водохранилищ, привели к негативным явлениям: эрозии и переформированию береговой линии водохранилищ, дна, устьевых участков рек; затоплению лесных массивов, появлению плавающих и затопленных деревьев, изменению уровня грунтовых вод и др. Появление деревьев в водохранилищах связано как с действием антропогенных факторов: несоблюдение правил сплотки, формирования и буксировки плотов, оставлением в ложах водохранилищ заготовленного леса, затоплением на корню при формировании водохранилищ, - так и природных: падение деревьев в результате эрозии и абразии береговых склонов и ветроволнового воздействия.

Экологические требования обязывают поддерживать качество водоемов в надлежащем санитарном состоянии и систематически проводить их очистку от древесины.

Прибрежные полосы водохранилищ состоят из спелых и перестойных, высокополнотных насаждений, относимых Лесным кодексом Российской Федерации, принятым в 2007 г, к защитным лесам. Запасы древесины в них большие, но эта категория насаждений требует особых технологий лесосечных работ, не противоречащих нормативным документам.

Сохранение всех полезных свойств лесов, при эффективном лесопользовании, в том числе и в защитных лесах, является одним из магистральных направлений научно-технического прогресса в лесозаготовительном производстве. Развитие отраслевой науки и практические действия предприятий всех основных и обслуживающих подотраслей должны быть направлены на создание «эффективной системы использования природных ресурсов». Именно это требование содержится в послании Президента РФ В.В. Путина Федеральному Собранию. Оно конкретизировано и развито в Концепциях развития лесного хозяйства и лесопромышленного комплекса, одобренных Правительством России. Это же требование красной нитью проходит через Экологическую доктрину РФ (одобренную распоряжением Правительства РФ от 31 августа 2002 г. № 1225-р) и концепцию устойчивого управления лесами РФ. В Перечень критических технологий РФ, утвержденный Президентом РФ 30 марта 2002 г. Пр-578 включен пункт «Переработка и воспроизводство лесных ресурсов», а в Приоритетные направления развития науки, технологий и техники РФ, утвержденный Президентом РФ 30 марта 2002 г. Пр-577 включено направление «Экология и рациональное природопользование».

В Иркутской области, и других регионах Сибири, наблюдается серьезный дефицит древесины, доступной для освоения, что сдерживает развитие лесопромышленного комплекса в данных субъектах РФ, а это, в свою очередь, негативно сказывается на экономических результатах их деятельности, социальной обстановке и пр. Вместе с тем, на настоящее время отсутствуют научно обоснованные методы прогнозирования динамики древостоев в береговой зоне, а также изменения запасов затопленной древесины. Также не существует обоснованных методик по выбору систем машин и технологических процессов для освоения и переработки древесины береговой зоны и ложа водохранилищ.

Цель работы. Повышение эффективности лесосечных работ в береговой зоне и очистки ложа водохранилища путем комплексной переработки получаемой древесины.

Объекты исследований. Объектом исследования являются технологии и системы машин лесозаготовительного производства для береговой зоны и лож водохранилищ, а так же для переработки топляковой и затопленной древесины.

Научной новизной обладают:

- математические модели устойчивости древостоев от ветроволнового воздействия в прибрежной зоне и ложе водохранилища, позволяющие прогнозировать объемы поступления древесины;

- математическая модель доступности древостоев, позволяющая прогнозировать сохранения подроста;

- научно - методические основы выбора эффективных технологий заготовки в условиях береговой зоны и ложа водохранилищ и комплексной переработки древесного сырья.

Значимость для теории и практики. Разработанные математические модели динамического состояния древостоев в результате ветроволнового воздействия, а также сложного статистического процесса машинной и механизированной валки трелевки деревьев в береговой зоне водохранилища углубляют и развивают теорию наук о лесе. Созданные научно-методические основы устойчивого лесопользования в береговой зоне и ложе водохранилищ путем обоснования технологии, систем машин и состава оборудования для освоения и переработки древесины, позволяют формулировать оптимальные технологические процессы лесозаготовки в условиях соблюдения экологических требований для прибрежных лесов и их восстановления.

Разработанные технологии улучшения экологической ситуации водоемов, устойчивого лесопользования береговой зоны и переработки древесины ложа водохранилищ позволяют существенно повысить экономическую эффективность лесозаготовительного производства в условиях данной категории защитных лесов.

Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: применением теории планирования эксперимента, системного анализа, математического моделирования производственных процессов, статистического анализа, механики сплошных сред, теории операций; проведением экспериментальных исследований в производственных условиях; и подтвержденной результатами статистической обработки и удовлетворительного соответствия полученных аналитических зависимостей с опытными данными.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных научно-технических и научно-практических конференциях: «Лесдревпром», Кемерово; «Лес. Деревообработка. Мебель», Томск; «Сиблесопользование», Иркутск; «Сиблес. Деревообработка», Новосибирск; «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» Вологда 2002-2003 год; «Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов», МГУЛ, М., 1994; «Жилище и человек» Братск, 1994; «Пути решения экологической проблемы водохранилищ Сибири» Братск, 1995; «Жилище: проблемы и возможности» Братск, 1995; «Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной экологической ситуации, пути и способы их решения» Братск, 1996; «Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» Екатеринбург, 2001; «Актуальные проблемы лесного комплекса» Брянск, 2007, и ежегодных научно-технических конференциях СПб ГЛТА им. С.М. Кирова в 2002-2008 гг. Часть результатов работы внедрена в производственный процесс лесозаготовительных предприятий Иркутской области.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 40 печатных работах, из них 11 в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Результаты исследований отражены в научно-технических отчетах по НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы. Общий объем работы 276 страниц. Диссертационная работа содержит 63 рисунка, 30 таблиц. Список литературы содержит 275 наименований.

На защиту выносятся следующие положения:

· математические модели динамического состояния деревьев в результате ветроволнового воздействия;

· математическая модель сложного статистического процесса валки древостоев механизмами и машинами при выполнении лесосечных работ;

· статистическая модель трелевки деревьев механизмами и машинами лесозаготовительного производства;

· методика формирования рационального технологического процесса лесозаготовительного производства в береговой зоне с позиции системного анализа;

· многофакторная модель переработки топляковых и затопленных деревьев в пиломатериалы, измельченную и модифицированную древесину.

Содержание работы

Во введении сформулирована актуальность темы диссертационной работы, определена цель исследований, изложены научная новизна, значимость для теории и практики, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

1. Состояние проблемы и задачи и исследования

В разделе произведен обзор и анализ литературных источников по современным и перспективным технологиям лесозаготовительного производства. Рассмотрены экологические и технологические проблемы водо- и лесопользования в условиях водохранилищ. Выполнен анализ существующих способов освоения затопленной древесины, техники и технологий лесосечных работ в береговой зоне. Дана характеристика объемов, доступности и качества древесины в береговой зоне и ложах водохранилищ гидроэлектростанций Ангарского каскада.

Большой вклад в решение экологических и технологических проблем водо- и лесопользования в условиях водохранилищ, обычного лесозаготовительного производства, оптимизации состава технологических процессов, систем машин и режимов их работы внесли отечественные ученые В.И. Патякин, В.Н. Меньшиков, В.Г. Кочегаров, С.Ф. Орлов, Г.М. Анисимов, А.А. Камусин, А.К. Редькин, В.К. Курьянов, А.М. Кочнев, М.М. Овчинников, И.Р. Шегельман, С.М. Базаров, А.Ю. Мануковский, Б.М. Большаков, Э.Ф. Герц, Ю.А. Ширнин, А.П. Матвейко, И.В. Григорьев, А.В. Жуков, И.К. Иевень, Б.А. Ильин, В.М. Котиков, В.П. Немцов, В.П. Корпачев, Л.И. Малинин, В.Н. Худоногов, Ю.П. Борисовец, М.М. Чебых, С.Д. Галлеев, Л.Н. Караскевич, Д.А. Жемчугов, Б.И. Угрюмов, Л.М. Перелыгин, В.А. Баженов, В.А. Александров, В.Н. Андреев, Ю.Ю. Герасимов, В.И. Альбьев, Ю.А. Добрынин, В.И. Варава, ученые МГУЛ, СПб ГЛТА, ВГЛТА, УГЛТА, ПетрГУ, АрхГУ, ЦНИИМЭ, ГСКБ ОТЗ, КарНИИЛПКа, ЦНИИЛесосплава и др.

Анализ научно-исследовательских работ предшественников показал отсутствие комплексных исследований, результаты которых, позволили бы научно-обоснованно разрабатывать и выбирать технологии и оборудование для освоения и переработки древесины прибрежной зоны и ложа водохранилищ, с учетом всех особенностей природно-производственных факторов. В частности, особого экологического значения древостоев, особенностей их динамики, складывающейся под воздействием антропогенного воздействия, ветровой и волновой нагрузки, а также некоторых изменений в физико-механических свойствах затопленной древесины.

На основании анализа научно-исследовательских работ сформулированы следующие задачи исследования, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:

- определить объемы древесного сырья в прибрежной зоне и ложе водохранилища;

- определить качественные характеристики древесного сырья находящегося в ложе водохранилища;

- разработать математические модели позволяющие прогнозировать объемы древесины поступающие в водохранилище в зависимости от ветровой нагрузки;

- разработать математическую модель позволяющую прогнозировать повреждаемость подроста при работе различных систем машин в береговой зоне водохранилища;

- дать рекомендации по выбору технологии и системы машин для лесосечных работ в береговой зоне водохранилища;

- провести экспериментальные исследования для получения данных об адекватности разработанных математических моделей;

- дать рекомендации по выбору технологии и оборудования для эффективной переработки затопленной древесины.

2. Теоретические исследования состояния древостоев прибрежной зоны и ложа водохранилищ

2.1 Математическая модель ветрового воздействия на древостой

Решение задачи устойчивости лесонасаждений в береговой зоне водохранилища непосредственно связано с исследованием сложного силового воздействия ветра на древостой.

Формирование скорости ветра в приземном подслое, в котором расположены деревья, описывается формулой Прандтля:

, (1)

где - безразмерный коэффициент, - плотность воздуха, - высота, - параметр шероховатости, который пропорционален средней высоте препятствия (средней высоте волн) над остальной относительно сглаженной поверхностью земли (водохранилища). Выполнено исследование устойчивости древостоев к силам ветрового воздействия, с учетом сил инерции, которые возникают в результате собственных и вынужденных колебаний.

Суммарный момент действующий на древостой представлен в виде:

, (2)

где: _- момент от веса ствола; - момент от веса кроны; - момент от осадков; - момент от ветровой нагрузки;

, (3)

, (4)

, (5)

. (6)

Ветровая нагрузка на древостой рассматривается как лобового сопротивления кроны

. (7)

Линеаризация построенных выражений выполнена, для условий, когда угол отклонения вертикальной оси ствола , тогда выражения (3)_(6) соответственно примут вид:

, (8)

, (9)

, (10)

. (11)

Суммарный момент сил, действующий на древостой, становится равным

, (12)

или

. (13)

В условиях, когда скорость ветра существенно превосходит скорость колебания древостоя

, (14)

И

, (15)

где

; (16)

. (17)

Уравнение колебания древостоя в силовом поле ветра представлено в виде

, (18)

из которого следует

, (19)

Где

_* = - . (20)

Исследования колебания древостоя в условиях постоянства скорости ветра, выполнено на основании уравнения

, (21)

гдe

. (22)

Колебание древостоев при постоянной скорости ветра описано формулой

. (23)

При начальном условии = , угол отклонения =, формула (23) переходит в

(24)

В начальной стадии развития процесса колебания формулу (24) можно записать в виде

(25)

В общем случае разность - может быть положительной, нулевой и отрицательной, поэтому возникают три особых случая колебания древостоев, рассмотренных в диссертации.

Вынужденные колебания древостоев в условиях периодического воздействия ветра, описываемого выражением

= , (26)

исследованы на основании уравнения

, (27)

где

, .

Значение амплитуды представлено выражением

, (28)

Или

, (29)

и

A. (30)

Поэтому амплитуду колебаний древостоя в периодическом силовом поле ветра можно записать в виде:

, (31)

Где

, (32)

. (33)

Угол отклонения вертикальной оси симметрии древостоя во время периодических порывов ветра можно описано формулой

, (34)

в которой действительная часть равная

, (35)

описывает периодические колебания вертикальной оси симметриии древостоя в ветровом поле: частота колебания в два раза превышает частоту колебания скорости ветра.

В свою очередь угловая скорость вынужденных колебаний равна

= , (36)

действительная часть (36) принимает вид

= . (37)

Отметим что угол отклонения и угловая скорость колебания смещены по фазе.

Построенное решение задачи раскрытия динамической картины колебания древостоя в поле действия ветровой нагрузки позволяет оценивать амплитудно-частотные характеристики, которые необходимы для определения критических скоростей ветра, при которых древостой теряет устойчивость.

2.2 Волновое воздействие на древостой

Ветроволновые силовые поля, возникающие на территории водохранилищ, являются основными как при формировании их берегов, так и лесов прибрежной зоны.

Построено силовое воздействие волновых полей, возникающих на территории водохранилищ, на древостой. Гидродинамическая модель движения волны при постоянной глубине выстраивается на основании решения совместной системы уравнений неразрывности и движении

, (38)

, (39)

, (40)

здесь: G - гравитационный потенциал, p- давление, - плотность, потенциал Ф связан с горизонтальной u и вертикальной v скоростями движения условием

, . (41)

Из уравнений (38) и (40) следует уравнение Лагранжа для потенциала Ф

(42)

Решение для потенциала Ф записано в виде

, (43)

ему соответствует скорость движения волны

. (44)

На дне , поэтому колебание горизонтальной скорости равно

, (45)

Из (45) следует, что по мере уменьшения глубины водоёма, горизонтальная скорость движения волны возрастает, вызывая более интенсивное вымывание грунта в прикорневой зоне древостоя.

Полученное выражение горизонтальной скорости волнового движения (45) принято как граничное условие для формирования вязкого пограничного слоя, непосредственно прилегающего ко дну водоёма. Картина этого пограничного слоя получена путем решения уравнения

=, (46)

с граничными условиями: при скорость ; при скорость u определяется формулой (45). В рассматриваемых условиях решение имеет вид

, (47)

здесь

, , - кинематическая вязкость.

Уравнение колебания дерева в волновом поле записано в виде

+ , (48)

где момент от волнового воздействия

. (49)

Построено суперпозиционное ветроволновое силовое воздействие на древостой в ложе водохранилищ, позволяющее получать информацию о критических для состояния древостоев ветровых нагрузках, сопровождающихся волновым воздействием.

2.3 Доступность древостоев при машинной технологии их заготовки

На пуассоновском поле естественного произрастания древостоев построена наиболее вероятная картина процесса валки двух машин технологий заготовок: машинами типа ВПМ и ВТМ:

- валочно-пакетирующая машина (ВПМ) последовательно наводит захватно-срезающее устройство (ЗСУ) на дерево, спиливает его и укладывает на волок,

- валочно-трелевочная машина (ВТМ) последовательно наводит ЗСУ на дерево, спиливает его, укладывает в коник, и производит трелевку.

Доступность деревьев при их спиливании у рассматриваемых машин описывается одинаковой статистической картиной, отличаются они способами транспортировки спиленного дерева на волок, которые и определяют характер повреждения подроста и тонкомера

В рассматриваемых условиях закон распределения Пуассона записан в виде

, (50)

здесь =0, 1, 2, 3,…. _ число деревьев, которые встречает манипулятор при своем вылете; - расстояние до дерева от оси вращения манипулятора.

Параметр

, (51)

где N - число деревьев на единицу площади, b - ширина захвата.

При формула (50) имеет вид

, (52)

и описывает вероятность того, что при вылете стрелы манипулятора на расстояние не встретится ни одного дерева, т.е. это опорный экспоненциальный закон вероятностей для выборочных рубок, когда намечается дерево для спиливания.

При сплошных рубках последовательно спиливается одно дерево древостоя за другим, поэтому в этом случае , и при формула (50) принимает вид

, (53)

и описывая вероятность встречи стрелы манипулятора с одним деревом на расстоянии , после чего оно спиливается ЗСУ.

Вероятность того, что на расстоянии х встретятся два растущих дерева (k = 2), подлежащих спиливанию, равна

, (54)

и т.д.

Модальному значению (50) соответствует условие

, (55)

здесь -это операция округления значения до целого числа; при х=R, - это целое число деревьев, которые могут встретиться в рабочей зоне манипулятора при полном вылете.

В рассматриваемых условиях имеет место наиболее вероятное значение числа деревьев:

. (56)

Длина манипулятора много больше ширины захвата , поэтому расстояние между деревьями оценивается выражением

. (57)

Определено среднее радиальное расстояние вылета стрелы манипулятора при спиливании деревьев. Это расстояние не зависит от числа деревьев на площади лесосеки, а определяется характером их расположения по отношению к выбираемой технологии лесозаготовки и параметрам стрелы манипулятора. Рассмотрено три характерные технологические операции наведения ЗСУ на дерево и его спиливание: узко прямоугольная лента, когда машина двигается по волоку, круговая и прямоугольная с одной стоянки.

Вероятность проведения рубок определяется выражением

. (58)

Для первой операции имеет место распределение плотности вероятности в виде:

, (59)

линейного характера самой вероятности

, (60)

и среднее расстояние до дерева

. (61)

Для данной технологической операции получаем выражение

. (62)

При получаем

, (63)

и т.д.

Для второй технологической операции имеет место линейное распределение плотности вероятности

 , (64)

и квадратичное для вероятности

, (65)

и среднее расстояние до дерева

. (66)

Вероятность проведения данной технологической операции равна

, (67)

При вероятность равна

. (68)

и т.д.

Для третьей технологии имеет место произведение плотностей вероятностей по прямоугольным координатам

, (69)

распределение вероятности:

. (70)

Среднее расстояние до дерева по координате х равно

, (71)

а среднее расстояние по координате у

, (72)

поэтому среднее расстояние до дерева равно:

. (73)

Вероятность проведения данной технологической операции по координатам и равна:

. (74)

Среднее расстояние до дерева, позволяет найти площадь перемещения стрелы манипулятора со спиленным деревом. При этом перемещении происходит контакт ЗСУ с подростом и тонкомером, в результате которого происходит повреждение последних.

2.4 Модель повреждения подроста при заготовке леса

При работе ВПМ по второй технологической операции имеет место дуговое перемещение ЗСУ со спиленным деревом, поэтому случайная величина расположения деревьев на полукруглой площади, занятой сплошными деревьями, равна

, (75)

И

. (76)

В этом случае необходимо сделать поправки на площадь волока

, (77)

на котором уже вырублены деревья, и угол раствора cтрелы манипулятора, поэтому от (76) необходимо перейти к

) . (78)

Вероятность дуговых перемещений манипулятора примет вид

) / (. (79)

Среднее расстояние вылета манипулятора определено как

) , (80)

Выполнив последовательно интегрирование по и по , получено среднее значение вылета стрелы манипулятора для данной технологии

- +)/(+ (81)

Площадь, на которой произойдёт воздействие ЗСУ при его однократном дугообразном движении укладки спиленных деревьев на волок с подростом, равна

. (82)

Общая дугообразная площадь воздействия ЗСУ на подрост равна общей площади его дугообразных перемещений

. (83)

Введем коэффициент гибели подроста при его столкновении с ЗСУ, тогда число гибнущих деревьев подроста определяется выражением

. (84)

Радиальная площадь воздействия ЗСУ при ВТМ-технологии на подрост при трелевке одного спиленного дерева

, (85)

здесь _k - характерный поперечный размер кроны трелюемого дерева.

Число гибнущих деревьев подроста при ВТМ-технологии можно оценивается выражением

. (86)

Отношение числа гибнущих деревьев подроста для рассматриваемых двух технологий

= ==. (87)

В виду того, что , с позиции сохранения подроста ВПМ-технология становится предпочтительнее ВТМ-технологии. Выполненное аналитическое исследование дает количественную вероятностную оценку имеющейся на практике технической картине использования данных технологий при проведении лесосечных работ.

2.5 Оптимальный технологический процесс

В лесах прибрежной зоны можно проводить суперпозицию различных видов рубок (сплошных и несплошных), необходимым условием их проведения является организация таких технологических процессов, при которых становится возможным естественное лесовосстановление без выполнения искусственного, для этого сохранение подроста должно быть не менее 60%. В этих условиях возможно устойчивое лесопользование в береговой зоне водохранилищ.

Технологические операции лесосечных работ, которые наиболее предпочтительны с точки зрения сохранения подроста и тонкомера:

- при аккуратной валке леса бензиномотоными пилами сохранность подроста и тонкомера составляет 90-95% ,

- валочно-пакетирующая технология с укладкой спиленных деревьев на волок приводит к сохранению подроста от 60 до 80%.

- канатная трелевка обеспечивает сохранность почвы.

Вероятность контакта хлыста с полем подроста, распределение которого описывается пуассоновским законом, равно

), (88)

Здесь

. (89)

Трелевка продуктов раскряжевки хлыстов после их валки с позиции сохранения подроста является более предпочтительной по сравнению трелевки целых хлыстов.

Сформулирован принцип устойчивой лесоэксплуатации, позволяющий выстраивать соответствующие технологии в береговой зоне водохранилищ.

древостой водохранилище лесопользование береговой

3. Методика и результаты экспериментальных исследований

3.1 Интенсивность изменения запасов затопленной на корню древесины от времени эксплуатации водохранилищ

Оценка объемов затопленного на корню леса, проводилась на основе натурных исследований в 1999-2000г. Основой служили материалы пробных площадей, заложенные в местах скопления затопленного леса. Исходными данными для закладки пробных площадей послужила судоходная карта Братского водохранилища, на которой нанесены участки скопления затопленной и плавающей древесины. Величина пробных площадей зависит от древесной породы и возраста. При установлении размера пробных площадей обязательным условием должно быть наличие минимального числа деревьев. Это объясняется изменчивостью диаметров деревьев в древостоях, которое в среднем может быть принято в возрасте спелости леса около 30%, допустимая точность определения запаса 5%. Отсюда необходимое число деревьев на пробе составит

N=vІ/pІ, шт (90)

где v - изменчивость, %; р - требуемая точность, %.

Соответственно, N=30²/5² = 36шт.

Размер пробной площади определялся по формуле:

F=N*l І,га (91)

где Р - размер пробной площади, га; N - минимальное количество деревьев, шт.; l- среднее расстояние между деревьями, м.

Среднее расстояние между деревьями определялось путем непосредственного измерения расстояний между 40_50 деревьями. Среднее расстояние оказалось равным 10,4 метров, тогда Р= 36*10,4² = 0,39 га.

Таким образом, минимальная модельная площадь равна 0,39 га. В зависимости от количества деревьев пробные площади закладывались размером от 0,4 до 0,8 га.

На этих участках определялось количество стоящих затопленных деревьев по породам. Затем выдергивались модельные деревья, которые подлежали обмеру. Модельные деревья обмерялись, и по формуле срединных сечений определялся их объем:

V=(g₁+g₂+…..+g_n)· l+V_верш , (92)

где g_1, g₂ …… g_n -- площадь вершинных сечений, мІ; l -длина секции, м;

(93)

где l_в - длина вершинной части, м.

Деревья раскряжевывались, и определялся выход деловых сортиментов в процентах от общего объема деревьев. На основании результатов обмера модельных деревьев определялось количество затопленной древесины на пробной площади и на 1 га водохранилища. Всего была заложена 21 учетная площадка общей площадью 11,07 га.

Данные обработки показали, что в среднем в местах скопления затопленных на корню деревьев, их количество составляет 26,1 м³/га. Согласно карте Братского водохранилища и данным визуального осмотра с катера, общая площадь участков с наличием затопленных деревьев по водохранилищу равна 4,22 тыс. га, что составляет примерно 0,8% от площади водохранилища.

Каждое модельное дерево раскряжевывалось на сортименты, и определялся выход деловых сортиментов. В среднем выход деловых сортиментов по сосне, ели и пихте составил 72% от общего объема, а лиственницы - 70% .

Суммарное количество затопленной на корню древесины по данным 2000 г. составило 1 103 тыс.м³ , что является достаточно большим количеством, для разработки технологических процессов сбора затопленной древесины и ее переработки.

В табл. 1 приведены данные о запасах леса в ложе водохранилищ Братской и Усть-Илимской ГЭС.

В период лесозаготовки и и затопления Братского водохранилища средний породный состав лесов был: 4С2Л2Б1П,Е1Ос. Согласно данным табл. 1 и нашим расчетам, при затоплении ложа водохранилища на корню осталось около 13 млн.м³ древесины. Исходя из формулы породного состава в момент затопления осталось 5200 тыс.м³ соснового древостоя, 2600 тыс.м³ лиственницы, 3900 тыс.м³ березы и осины, 1300 тыс.м³ ели и пихты. Как было указано выше, в 2000 году на основании данных пробных площадей было определено количество оставшейся на корню древесины. Кроме этого, 1980-1990 г.г. также была проведена количественная оценка затопленной на корню древесины. Результаты учета приведены в табл. 2.

Таблица 1. Запасы леса в ложах водохранилищ некоторых ГЭС на реке Ангаре на год затопления

Наименование водохранилищ	Площадь водохранилищ, км2	Лесопокрытая площадь, км2	Ликвидный запас древесины, млн. м3	Интенсивность ликвидного запаса, м3/км2
Братское	5910	3150	36,0	6,0
Усть- Илимское	1870	1300	11,9	6,3

Таблица 2. Количество затопленной древесины по годам

Древесная порода	Количество затопленной древесины тыс.мі/ %
	На момент затопления	1980 год	2000 год
Лиственница	2600/100	1400/38	262,5/10,1
Сосна	5200/100	1700/32,7	214,6/4,1
Ель, пихта	1300/100	250/19,2	47,0/3,6
Береза, осина	3900/100	200/5,1	-

На основании материалов пробных площадей, а также данных, собранных в 80-е, 90-е годы, были получены данные первоначального объема затопленной на корню древесины по породам в зависимости от времени эксплуатации водохранилища.

Эти данные показывают, что менее всего сохраняются на корню лиственные породы: береза, осина, пихта через 10 лет они вымываются из почвы. Породы с мощной корневой системой, такие как сосна и лиственница более длительное время удерживаются в почве (до 60 лет и более).

В.П. Корпачевым была составлена таблица изменения запасов затопленной на корню древесины в зависимости от времени эксплуатации водохранилища. Эти данные существенно отличаются от результатов натурных исследований в ложе Братского водохранилища. На основании имеющихся данных построены модели, описывающие уменьшение запасов затопленной на корню древесины. При математическом описании процессов изменения количества затопленного на корню леса получены следующие уравнения:

1 .Лиственница:

V- ехр (- 0,000289 (а)² - 0,022 а + 4,3655) 5-5), (94)

где V - процент от первоначального запаса древостоя, а -- время, прошедшее после затопления водохранилища, лет.

Среднеквадратическое отклонение составило 0,174; максимальное отклонение - 0,768.

2. Сосна: V = ехр (- 0,000885(а)² + 1,6181 /а + 3,7939) (95)

Среднеквадратическое отклонение составило 0,210; максимальное отклонение 0,762.

3. Ель, пихта: V- ехр ( 1,4575 Ln (а) + 7,8694/ а- 0,104 а) (96)

Среднеквадратическое отклонение составило 0,080; максимальное отклонение 0,428.

4. Береза, осина: V= - 7,9125 Ln (а) + 27,892 (97)

Среднеквадратическое отклонение составило 0,102; максимальное отклонение 0,326.

Приведенные уравнения позволяют оценивать интенсивность изменения объемов леса от времени прошедшего после затопления.

3.2 Физико-механические и химические свойства древесины

Для изучения физико-механических и химических свойств затопленной на корню древесины использовались модельные деревья, извлеченные из воды. Для сравнения брались модельные деревья свежесрубленной древесины. Для получения достоверных результатов образцы из различных частей дерева. На рис. 1 приведена схема взятия образцов для исследования свойств древесины. Из модельных деревьев выпиливалось по 3 среза толщиной 5_6 см, из срезов выкалывались образцы. Изучение физико-механических и химических свойств затопленной на корню и свежесрубленной древесины проводились по общепринятым методикам, согласно ГОСТов, отбора и подготовку образцов ГОСТ 1683.0-78 «Древесина. Метод отбора образцов и общие требования при физико-механических испытаниях». Для обеспечения сопоставимости результатов измерений, испытания проводились по общей методике в соответствии с требованиями, регламентирующими процедуру испытаний обработки данных, указанных в ГОСТ 16483.1 -84, ГОСТ 16483.7-71, ГОСТ 16483.10-73, ГОСТ 16483.11-72.

Минимальное число испытываемых образцов определялось по формуле:

(98)

где V -- коэффициента-показателя свойства древесины; j - требуемая доверительная вероятность(j=0,95); t j - квантиль распределения Стьюдента; dj - относительная точность определения выборочного среднего с доверительной вероятностью (d_j= 5%).

а) б)

Рис. 1 Схема взятия образцов из модельных деревьев:

а) по высоте ствола; б) по сечению ствола

При обработке результатов испытаний вычислялись следующие характеристики: выборочное среднее арифметическое, выборочное среднее квадратичное отклонение, средняя ошибка S_q выборочного среднего, выборочные коэффициент вариации V в процентах, относительная точность определения выборочного среднего. Полученные показатели точности, оценивались по критерию Стьюдента.

Для изучения химического состава пробы древесины готовились следующим образом: из шайб готовились спички, которые затем размалывались лабораторной мельницей в опилки. Полученные опилки фракционировались на ситах. Для анализов отбирались фракция, оставшаяся на сите 0,25 мм.

В приготовленных таким образом пробах определялась влажность и основные компоненты, характеризующие химический состав древесины: содержание целлюлозы, лигнина, водорастворимых веществ, смол, жиров, золы. Определение содержания целлюлозы проводилось по методу Кюршнера и Хоффера, содержание жиров и смол определялось путем экстракции древесных опилок этиловым спиртом в специальном, аппарате содержание лигнина в опилках определялось методом Комарова. Вещества, растворимые в горячей воде определялись при кипячении опилок на водяной бане с дистиллированной водой в течение 3 часов. Содержание минеральных веществ определялось путем сжигания и прокаливания пробы в муфеле при t° 575 ± 25°С. Все анализы проводились с параллельными пробами. Для сравнения приведены данные по химическому составу здоровой древесины лиственницы, сосны и ели, произрастающей на территории лесосырьевых баз Братского ЛПК и Усть-Илимского ЛПК.

Практически неизученными являются свойства затопленной древесины на корню, количество которой в Братском водохранилище еще достаточно велико и имеется возможность ее заготовки и переработки.

Исследования проводились для затопленной на корню древесины, находившейся в воде с момента затопления водохранилища, т.е. 37 лет, для следующих пород: сосна, лиственница, ель. Лиственные породы на корню в затопленном состоянии практически не сохранились.

Показатели физико-механических и химических свойств определялись в соответствии с действующими стандартами.

Первоначально определялся внешний вид вырванных из воды деревьев. В отличие от топляковой древесины, находящейся в сортиментах, отсутствует боковое почернение древесины, отсутствует синева и другие внешние признаки, свойственные затопленной древесине. Отсутствует кольцо внешней оболочки, подвергающей разрушению и пропитанной илом и песком.

По стандартной методике была определена средняя влажность испытанных образцов для каждого вида древесины, которая для испытания должна быть в пределах нормализованной (12 %), при ней определяются все прочностные свойства древесины.

Было определено количество годичных слоев в 1 см, средняя ширина годичного слоя и процент поздней древесины для лиственницы, сосны и ели затопленной и свежесрубленной древесины тех же пород, произрастающих в Братском районе. Опытные данные показали, что средняя ширина годичного слоя у хвойных пород колеблется от 0,93 до 2,54 мм. Процент поздней древесины у лиственницы от 17,8 до 40%, от сосны 19,8 _ 28,2%, у ели 8,1 _ 10,4%.

Результаты опытов показали, что, несмотря на длительное пребывание в воде, плотность затопленной древесины практически не отличается от плотности свежесрубленной древесины, а у лиственницы и сосны даже превышает плотность свежесрубленных деревьев. Процент поздней древесины и плотность для затопленной древесины не имеют связи, таким образом, подтверждается мнение об отсутствии корреляции или о слабой корреляции между плотностью древесины и ее макроскопическим строением. Для образцов древесины была по стандартной методике определена прочность древесины при сжатии вдоль волокон, при сжатии поперек волокон в радиальном направлении и прочность при статичном изгибе. Полученные результаты позволяют утверждать, что прочность затопленной древесины значительно ниже, чем аналогичные свойства свежесрубленной древесины. Так, у затопленной древесины прочность при сжатии вдоль волокон ниже прочности свежесрубленной древесины на 30,1%, у сосны - на 33,8%, у ели _ на 40,4%.

Для образцов материала древесины по стандартной методике определялась прочность при сжатии вдоль волокон и при сжатии поперек волокон в радиальном направлении, а так же прочность при статическом изгибе. Предел прочности при сжатии поперек волокон у затопленной древесины составил на 16,7 -33,3% ниже, чем прочность свежесрубленной древесины.

Среднее значение прочности затопленной древесины составило: у лиственницы _ 74,5_81,1 МПа, сосна 63,9 МПа, ель 56,1 МПа. Сравнение с прочностью свежесрубленной древесины показало, что прочность затопленной древесины ниже на 24,6_31,6%.

Химический состав затопленной древесины. Для древесины, используемой в качестве сырья для ЦБП, имеют значение показатели влажности, объемной массы, ширины годичного слоя и возраст древесины. Наибольшее значение из всех этих показателей имеет плотность (объемная масса древесины), определяющая технико-экономические показатели производства целлюлозы. По данным ранее выполненных исследований существует закономерности в части химического состава древесины Сибири: она содержит меньше целлюлозы и больше экстрактивных веществ и лигнина. Экспериментальные данные показали, что содержание целлюлозы у древесины затопленных деревьев мало отличается от свежесрубленной древесины. Так содержание целлюлозы у затопленной лиственницы ниже на 16% по сравнению с лиственницей лесосырьевой базе Братского ЛПК и на 10,2 % ниже, чем у лиственницы в лесосырьевой базе Усть-Илимского ЛПК. Содержание целлюлозы у затопленной сосны на корню выше, чем у сосны, характерной для сырьевой базы Братского ЛПК, на 6,58% и выше, чем у сосны Усть-Илимской лесосырьевой базы на 12,8%. У затопленной на корню ели, содержание целлюлозы по сравнению с елыо лесосырьевой базы Братского ЛПК ниже на 4,3% и выше, чем у ели из лесосырьевой базы Усть-Илимского ЛПК па 6%. Это можно, объяснить тем, что были затоплены здоровые и целые деревья, что обеспечило наименьшее вымывание химических веществ из древесины. Аналогичная картина наблюдается и для таких химических компонентов как лигнин, смолы, жиры, зола и вещества, растворимые в горячей воде.

Результаты исследований позволяют утверждать, что физические, химические и механические свойства затопленной на корню древесины сосны, ели, лиственницы даже при нахождении в воде 37 лет практически не изменились. Особенно устойчивыми оказались химические свойства древесины. Это свидетельствует о том, что затопленная на корню древесина может без всяких ограничении использоваться в технологическом процессе получения целлюлозы. Кроме всего прочего вся эта древесина может служить сырьем для производства полового и облицовочного покрытия.

3.3 Критическое силовое воздействие

Исследования усилий при выдергивании затопленных на корню деревьев проводилось с буксирного катера ПР 433 с лебедкой. Стоящие на корню деревья захватывались стальным канатом длиной 50 м и выдергивались с помощью лебедки. Усилия выдергивания измерялись промышленным динамометром 9016 ДПУ- 100-1 УХЛ-2 ТУ-26-02. 2088-83 с предельной нагрузкой 100 кН. Показания динамометра снимались в момент наибольшей нагрузки. Количество модельных деревьев предварительно рассчитывались.

Факторы, определяющие усилия корчевания пней, следует разделить на две основные группы. Первая - это факторы, непосредственно связанные с морфологией, вторая - факторы, определяемые той или иной почвенной разностью.

К первой группе факторов относят породу, диаметр пня как суммирующий показатель, число боковых корней первого и второго порядка, их геометрические параметры, углы наклона, сбег корней, размах корневых систем. Ко второй группе факторов относят массу кома земли как суммирующий показатель, объем ям под пнями и размеры деформированной почвы. Кроме того, необходимо учитывать сезон выполнения работ, влияющий на влажность, промерзание почвы и т.п.

Цель исследований заключалось в том, чтобы определить абсолютные усилия корчевания свежих и спелых пней (по записи на осциллограмме), наличие связи между размерами диаметра пня, формой и размерами корней, ям под пнями и деформированной почвой с величиной усилия корчевания пня.

Наибольшие усилия корчевания затрачивается при наличии у пня длинного, большего диаметра стержневого корня, а также наличие наклонных корней. Установлена прямая зависимость усилия корчевания свежих сосновых пней от диаметра пня.

Дополнительными факторами, влияющими на изменчивость усилия корчевания пней, являются длинные корни, срастающиеся с корнями соседних пней.

С увеличением ступени толщины пней увеличивается число корней второго порядка, минимальный и максимальный размах корней первого порядка, объем ям под пнями и размеры деформированной почвы. Затопленные на корню деревья со временем теряют связь с почвой за счет отмирания корней второго порядка, а также за счет размыва почвы около корневой системы.

В 1980 году были определены усилия выдергивания для растущих и затопленных на корню деревьев сосны и лиственницы, a в 2000 году определены усилия для выдергивания затопленных на корню деревьев. В 2000 году при взятии модельных деревьев усилия выдергивания стали значительно меньше.

На основании экспериментальных данных в аналитическом виде были определены усилия выдергивания деревьев сосны и лиственницы в зависимости от диаметров в комле.

Рис. 2. Усилие выдергивания деревьев сосны в зависимости от диаметров в комле.

Со временем эксплуатации водохранилища появляется следующая закономерность: тонкомерные деревья раньше вымываются из грунта, чем крупномерные. На рис. 2.представлена зависимость выдергивания деревьев различных диаметров.

На рис.3 показана зависимость критической скорости ветра от комлевого диаметра древостоев для различных сроков эксплуатации водохранилищ.

Результаты экспериментальных исследований и математические модели, обрабатывались при помощи прикладных программ «MatСad 2005. Professional» и «Excel 2005», входящей в пакет прикладных программ «Office XP Professional» для операционной системы Windows ХР. Результаты обработки показали удовлетворительную сходимость экспериментальных и аналитических зависимостей.



Рис. 3. Зависимость критической скорости ветра от диаметра деревьев сосны при разных сроках эксплуатации водохранилища:

1 - непосредственно, после затопления; 2 - после 37 лет затопления

4. Технология и машины для заготовки затопленной древесины и лесосечных работ в береговой зоне

4.1 Устройство для очистки водохранилищ от древостоя

Для очистки водохранилищ, имеющих участки затопленного на корню леса, предложено устройство, защищенное авторским свидетельством № 1729978 «Устройство для очистки водохранилища от древостоя», разработанное с участием автора, на рис. 4 представлена принципиальная схема устройства.

Устройство состоит из плавучего основания (1); на котором размещены кран - манипулятор (2); лебедка (3) и бытовое помещение (4). В передней части плавучего основания имеется специальный вырез (5), снабженный по краям наклоненными плоскостями (6), которые имеют волнистую поверхность. Кран-манипулятор (2) оснащен захватом (7) для захвата дерева (8). Нижняя поверхность захвата и верхняя поверхность плиты (6) выполнены волнистыми и установлены с возможностью взаимодействия между собой.

Принцип работы устройства заключается в следующем: плавающее основание (1) подводится в зону очистки водохранилища от деревьев (8). Кран-манипулятор (2) своим захватом (7) зажимает дерево и вводит его в вырез (5), при этом плавающее основание перемещается к отводящему дереву. В момент контакта захвата (7) с наклонными плоскостями (6) начинается процесс выдергивания дерева, так как захват по наклонным плоскостям (6) с помощью лебедки (3), соединенной тросом с захватом, поднимается на заданную высоту. В дальнейшем извлекаемое из грунта дерево (8) краном-манипулятором выводится и укладывается на стоящую рядом баржу. Затем цикл повторяется.

4.2 Системы машин для лесосечных работ в береговой зоне водохранилищ

Исходя из действующих правил рубок, учитывающих особую экологическую значимость и ранимость этих биогеоценозов, в данном разделе работы были произведены обзор, подробный анализ и компоновка нескольких вариантов систем машин для лесосечных работ в береговой зоне водохранилищ.

Перед выполнением компоновки систем машин для лесосечных работ был произведен подробный анализ особенностей природно-производственных условий. Основными из которых являются _ пересеченный рельеф, недопустимость использования, в большинстве случаев, различных вариантов сплошных рубок леса, небольшие по размерам допустимые размеры лесосек. В результате, в качестве наиболее перспективных, были рекомендованы различные варианты технологических схем, с использованием в качестве ведущего оборудования мобильных канатных трелевочных установок или (и) мини-тракторов.

Рис. 4 Принципиальная схема устройства

1 - плавучее основание; 2 - кран манипулятор; 3 - лебедка; 4 - бытовое помещение; 5 - вырез; 6 - наклонная плоскость; 7 - захват; 8 - дерево.

В результате анализа были составлены рекомендации по использованию технологических схем разработки лесосек, скомпонованных систем машин, и режимов их работы.

В частности, по результатам работ предшественников, при помощи специализированной прикладной программы «Спектр» для определения механических процессов циклического уплотнения почвогрунта при динамических нагрузках, разработанной В.Я. Шапиро и И.В. Григорьевым, для рассматриваемых природно-производственных условий были выявлены следующие методические факторы:

Характер изменения во времени динамического уплотнения почвогрунта волока за фронтом волны сжатия от движителей трелевочных машин соответствует графику, представленному на рис. 6, по сравнению с фронтальным значением . Шкала времени - относительная

.

Расчеты соответствуют данным, характерным для рассматриваемых природно-производственных условий: Е_с=2; Е_д=10; Е_рд=12 МПа; =0,027; з=0,35 кГ•с/см²; м_Г=7,14 с^-1; t_р=140 мс. Как видно за период времени, равный 0,4…0,5 t_р (60…70 мс), происходит дополнительное уплотнение почвы (до 10 и более %) по сравнению с максимальным значением на фронте волны сжатия. Дальнейшее развитие режима разрузки в течение t <0,9t_р приводит к снижению динамического уплотнения до начальных (фронтальных) значений. После этого отмечается развитие режима разуплотнения грунта и снижение величины на 8…10%. С высокой степенью точности (коэффициент аппроксимации превышает 0,99) зависимость, представленная на рис. 5, описывается уравнением:

. (99)

Рис. 5. Характер изменения динамического уплотнения во времени

Как показали исследования после первого цикла прохода трактора (N=1) на скорости движения х=1 м/с величина динамической деформации составила е_д=0,1, т.е. динамическое уплотнение на фронте волны сжатия достигает =1,1. На следующем цикле (N=2) полученная деформация принимается за исходную, суммируется с расчетной и определяется соответствующее значение относительного уплотнения (=1,19) и т.д. В том случае, когда почвогрунт описан адекватной реологической моделью и известны его характеристики, необходимо корректировать полученные значения в соответствии зависимостью (99) или графическими данными рис. 5.

Обобщая полученные результаты, установлен характер уплотнения почвы под действием динамических, статических и приведенных (суммарных) нагрузок (рис. 6).

Как видно из графиков рис. 6 процесс уплотнения почвы происходит под действием как динамических, так и статических нагрузок, соизмеримых по величине и результирующему вкладу в общий процесс уплотнения грунта. Уже после 5_6 циклов прохода трактора относительное уплотнение почвы возрастает более, чем в два раза. С учетом вышеотмеченных особенностей режимов рагрузки и возможного разуплотнения почвы на 8-10% для динамического состояния (кривая 3) суммарное уплотнение заполняет диапазон значений 1,8…2.

Рис .6. Влияние цикличности на уплотнение почвы при действии нагрузки:

1 _ суммарной, 2 - статической; 3 - динамической

В соответствии с вышеприведенными результатами исследований в данном разделе работы были установлены методические рекомендации по использованию тракторной техники на трелевке древесины в рассматриваемых природно-производственных условиях. Оперативные данные о рельефных и почвенно-грунтовых условиях конкретной лесосеки могут быть получены, например, при помощи Мобильного измерительного комплекса, разработанного с участием автора, на конструкцию которого получено авторское свидетельство.

5. Переработка топляковых и затопленных деревьев на пилопродукцию, измельченную и модифицированную древесину

В данной главе работы был выполнен подробный анализ существующих и перспективных технологических процессов, оборудования и поточных линий деревопереработки. Отмечен значительный вклад отечественных ученых в совершенствование существующих и разработку принципиально новых технологий и оборудования для повышения эффективности деревоперерабатывающих производств. На основе анализа балы выделены наиболее перспективные пути переработки затопленной и топляковой древесины на полезную продукцию. Исходя из особенностей физико-механических и химических свойств топляковой и затопленной древесины, которые были количественно определены в главе 3, для каждого из этих направлений были даны методические рекомендации, учитывающие природно-производственные особенности рассматриваемых условий лесозаготовительного производства.

...